«В УПРАВЛЕНИИ СИЛОВЫМИ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ...»

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методов расчета статических, динамических и спектральных процессов в математических моделях при общепринятых допущениях, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, выполненных на лабораторных стендах, а также результатами промышленного внедрения и эксплуатации электроприводов с ВП на основе интегрирующих методов развертывающего преобразования.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Получила развитие теория и практика адаптивных интегрирующих развертывающих систем управления силовыми ВП, обеспечивающих высокий уровень эксплуатационной надежности и ресурсо-энергосберегающих показателей технологических установок, что является решением крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, так как существующие системы управления ВП, работающие по принципу сравнения или выборки мгновенных значений сигнала управления, обладают низкой помехоустойчивостью к сигналам внешних и внутренних помех, а также высокой чувствительностью к различным дестабилизирующим факторам со стороны источника электроснабжения.

2. Решена проблема синхронизации ВП путем впервые предложенного, теоретически и экспериментально исследованного комплекса интегрирующих устройств и систем синхронизации, отличающихся от известных технических решений аналогичного функционального назначения способностью адаптироваться к отклонениям параметров напряжения сети, коммутационным и импульсным искажениям, а при использовании интервалокодовых алгоритмов построения устройств синхронизации – расширенными функциональными возможностями в плане синхронизации и диагностики, что в целом улучшает эксплуатационную надежности ВП, особенно при работе с источником электроснабжения ограниченной мощности.

3. Высокая помехоустойчивость систем управления вентильными преобразователями со стороны информационного канала, а также способность систем импульсно-фазового управления адаптироваться к нестационарным параметрам источника электроснабжения обеспечена за счет впервые предложенного, теоретически и экспериментально исследованного комплекса разомкнутых и замкнутых интегрирующих фазосдвигающих устройств, причем замкнутые ФСУ позволяют сохранить работоспособность ВП при статической нестабильности частоты сети в пределах ±50 %, что существенно повышает эксплуатационную надежность ВП при работе с автономными источниками электроснабжения.

4. Метод синхронизации тактов АЦП с интервалом дискретизации ВП совместно с впервые предложенными, теоретически и экспериментально изученными интегрирующими аналого-цифровыми преобразователями с различными законами модуляции позволяет в канале «датчик–АЦП» полностью подавить пульсации тока или напряжения силового преобразователя и препятствовать тем самым проникновению в каналы регулирования помех с частотами, равными или кратными частоте дискретизации ВП, а также сохранять постоянный коэффициент передачи АЦП при изменениях частоты тактовых импульсов, связанных с нестабильностью частоты напряжения сети, что невозможно в случае применения ранее известных аналогоцифровых преобразователей.

5. Структурные методы повышения точности интегрирующих датчиков нулевого тока, а также метод синфазной амплитудно-частотно-импульсной модуляции как способ повышения, не менее чем на порядок временной и температурной стабильности характеристик преобразователей напряжения в частоту импульсов, а также число-импульсных ФСУ и АЦП.

6. Методы интегрирующего развертывающего преобразования, положенные в основу технической реализации систем управления ВП для электроприводов и технологических установок постоянного и переменного тока, позволили получить следующие технические показатели: 1) допустимая статическая нестабильность амплитуды и частоты напряжения сети в пределах не менее ±50 %; 2) допустимая динамическая нестабильность амплитуды напряжения сети за один период и частоты сети за одну секунду –± % и ±6 Гц /c соответственно; 3) допустимый уровень коммутационных искажений до 100 % на 25 эл. град; 4) допустимый уровень соотношения помеха / полезный сигнал на информационном входе ВП не менее чем на порядок, превышающий аналогичный уровень для традиционных систем управления, что обеспечивает высокий запас «прочности» для ВП при их работе как со стационарными, так и автономными системами электроснабжения, а также существенно превосходит аналогичные показатели для серийно выпускаемых силовых преобразователей отечественного и зарубежного производства.

Научная новизна работы:

1. Получила дальнейшее развитие теория развертывающих систем применительно к системам управления ВП за счет разработки методов исследования, а также математического описания и создания единой методики сравнительного анализа статических и динамических характеристик существующих и впервые предложенных синхронизирующих и фазосдвигающих устройств, преобразователей аналогового сигнала в цифровой код, датчиков электрических параметров и преобразователей напряжения в частоту импульсов, в основе которых лежат различные законы модуляции и методы развертывающего преобразования.

2. Впервые проведен сопоставительный анализ статических и динамических характеристик законов модуляции в широком частотном диапазоне преобразуемого гармонического сигнала, в основе которых лежат различные методы развертывающего преобразования, а также их статических и динамических спектральных характеристик, что позволяет выбрать закон модуляции, обеспечивающий наибольшую помехоустойчивость и минимальный уровень сигналов замедленной дискретизации.

3. Впервые предложены и исследованы новые принципы построения интегрирующих устройств синхронизации, обладающих высокой помехоустойчивостью к коммутационным и импульсным искажениям напряжения сети и способностью адаптироваться к отклонениям амплитуды и частоты питающего напряжения, а также систем синхронизации с интервалокодовыми алгоритмами обработки данных, что позволяет произвести не только диагностику работоспособности УС, но и синхронизацию ВП с любой конфигурацией схемы силовых ключей.

4. Впервые предложены и исследованы новые принципы построения разомкнутых интегрирующих фазосдвигающих устройств, обеспечивающих высокую помехоустойчивость систем управления ВП со стороны информационного входа, а также замкнутых интегрирующих ФСУ, способных перестраивать свои статические и динамические характеристики в условиях нестационарных параметров источника электроснабжения, что положительно сказывается на эксплуатационной надежности ВП.

5. Впервые предложены и исследованы бестактовый замкнутый интегрирующий АЦП, а также тактируемые интегрирующие АЦП с различными законами модуляции, работающие синхронно на частоте дискретизации ВП и способные сохранять постоянный коэффициент передачи при изменении частоты тактовых импульсов, возникающих по причине нестабильности частоты несущих колебаний ВП (частоты сети в ведомых сетью преобразователях), что обеспечивает высокую помехоустойчивость, временную и температурную стабильность характеристик канала «датчик – АЦП» систем управления ВП.

6. Дан сопоставительный анализ статических и динамических характеристик преобразователей напряжения в частоту импульсов и впервые показано, что наиболее высокой помехоустойчивостью в области частот замедленной дискретизации обладает ПНЧ с синфазной амплитудно-частотноимпульсной модуляцией, температурная стабильность характеристик которого возрастает не менее чем на порядок по сравнению с традиционными структурами аналогичного функционального назначения.

7. Предложены новые принципы построения интегрирующих датчиков нулевого тока, в частности, для реверсивных ВП с раздельным управлением, обладающих помехоустойчивостью не менее чем на порядок выше по сравнению с существующими устройствами аналогичного назначения.

8. На основе единой методики и впервые разработанных математических моделей исследованы и сопоставлены статические и динамические характеристики разомкнутых и замкнутых систем управления ВП при широком частотном диапазоне изменения сигнала управления и реальных видах искажений, существующих в промышленных сетях электроснабжения, что показало существенное преимущество интегрирующих развертывающих систем управления ВП, когда обеспечивается высокий запас «прочности»

силовых преобразователей при их работе как со стационарными, так и с автономными системами электроснабжения.

9. Впервые предложены и исследованы однофазные и трехфазные нагрузочно-питающие устройства (НПУ) с системами управления на базе интегрирующих развертывающих преобразователей, предназначенных для испытания и исследования не только всех видов силовых ВП на постоянном и переменном токе, но и другое электротехническое оборудование, например, электрические машины, трансформаторы, источники питания и т.д. и отличающихся от известных аналогов тем, что предложенные устройства позволяют изменять направление потока мощности в системе, подводя (режим питания) или отдавая (режим нагрузки) энергию в сеть с высокими энергетическими показателями, что делает возможным испытывать с их помощью преобразователи электрической энергии как в выпрямительном, так и инверторном режимах работы.

Практическое значение работы:

осуществлено комплексное решение крупной научно-технической проблемы повышения эксплуатационной надежности систем управления ВП постоянного и переменного тока для автоматизированных электроприводов и технологических установок с применением методов развертывающего преобразования;

на основе проведенного анализа статических и динамических характеристик получены рекомендации по рациональному выбору параметров элементов схем синхронизирующих и фазосдвигающих устройств, преобразователей аналогового сигнала в цифровой код, преобразователей напряжения в частоту импульсов, датчиков электрических параметров, при которых достигается компромисс между их помехоустойчивостью и быстродействием, а также определены области их применения;

разработан, теоретически и экспериментально исследован комплекс силовых ВП, построенных на основе адаптивных интегрирующих систем управления для электроприводов и технологических установок постоянного и переменного тока общепромышленного и специального назначения, в том числе функционирующих с сетью ограниченной мощности, например, с дизель– или ветро-генераторными станциями, характеризующиеся высоким уровнем коммутационных искажений и широким диапазоном изменения амплитуды и частоты напряжения сети. В состав комплекса входят: однофазные и трехфазные реверсивные и нереверсивные тиристорные преобразователи для технологических установок постоянного тока, в том числе и электропривода, а также реверсивный широтно-импульсный преобразователь для электропривода постоянного тока; тиристорные регуляторы напряжения для плавного пуска асинхронных электроприводов различного класса и мощности; частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения для технологических установках инерционных объектов, например, систем терморегулирования, а также однофазный активный фильтр-компенсатор для улучшения энергетических показателей системы электроснабжения. По своим техническим характеристикам комплекс превосходит отечественные и зарубежные аналоги и обеспечивает повышение ресурсо-энергосберегающих показателей технологических объектов в целом;

разработан, теоретически и экспериментально исследован новый класс ресурсо-энергосберегающих нагрузочно-питающих устройств с системами управления на базе интегрирующих развертывающих преобразователей, предназначенных для испытания и исследования преобразователей электрической энергии в выпрямительном и инверторном режимах работы, а также другое электротехническое оборудование на постоянном и переменном токах, что находит широкое применение в лабораторном и стендовом оборудовании;

разработанные адаптивные интегрирующие системы управления могут использоваться при проектировании новых систем управления ВП с улучшенными ресурсо-энергосберегающими и эксплуатационными характеристиками.

Реализация результатов работы.

В период 2005–2013 гг. на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»

на основе тиристорных регуляторов напряжения было реконструировано асинхронных электропривода 15 технологических установок на суммарную мощность исполнительных электродвигателей более 7600 кВт. Экономический эффект от внедрения оборудования составил более 6,9 млн. руб. в год (в ценах 2012 г.).

В 2011 г. частотно-широтно-импульсные регуляторы переменного напряжения с интегрирующей системой управления был внедрен в трех системах терморегулирования сушильных камер 120ЕК-2 электроцеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», что позволило сократить затраты на электроэнергию в процессе сушки электротехнических изделий в пределах 15–20 %.

Результаты диссертационной работы внедрены в лабораторных стендах, серийно выпускаемых ООО НПП «Учтех-Профи» (г. Челябинск):

однофазный активный фильтр-компенсатор и однофазное нагрузочнопитающее устройство с системами управления на базе интегрирующих РП – лабораторный комплекс «Энергосберегающая силовая электроника»;

реверсивный трехфазный тиристорный преобразователь – лабораторный стенд «Электрические машины»;

электропривод постоянного тока с силовым широтно-импульсным преобразователем и активным выпрямителем напряжения – лабораторный стенд «Системы электропривода ШИП-Д и ПЧ-АД».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Силовая электроника», «Вентильные преобразователи постоянного и переменного тока», «Элементы систем автоматики», «Системы управления вентильными преобразователями», а также в учебных пособиях по данным дисциплинам в ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет».

Диссертационная работа подготовлена в рамках реализации федеральных целевых программ:

ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2006–2008 годы)» по проблеме «Разработка программно-методического обеспечения и автоматизированного лабораторного комплекса по преобразовательной технике» (госконтракт № 01/2/006 10696);

ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в рамках мероприятия 1.2.2 по проблеме «Энергосберегающие электроприводы на основе новых типов электрических машин и вентильных преобразователей» (госконтракт № П1442 от 03.09.2009);

ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в рамках мероприятия 1.2.2 по проблеме «Энергоэффективные электроприводы нового поколения для объектов с тяжелыми условиями эксплуатации» (госконтракт № 14.740.11.1100 от 24.05.2011);

ФЦП ««Энерго- и ресурсосберегающие электроприводы нового поколения для объектов жизнеобеспечения промышленных предприятий и ЖКХ» (регистрационный № 7.3552.2011);

Гранта президента РФ по проблеме «Энергосберегающие перспективные электроприводы переменного тока на базе интегрирующих устройств управления» (договор № 16.120.11.6780 МК–1403.2013.8 от 01.02.2013).

Апробация работы. В полном объёме работа докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедр: «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО НИУ «Московский энергетический институт», г. Москва; «Автоматизированный электропривод и мехатроника» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск; «Информационные системы и промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г.

Уфа; «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, в том числе на:

IV Международной конференции «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, МГТУ, 2004); Международной 13–15 научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005, 2007, 2012); Международной научно-технической конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XII, XVI Бенардосовские чтения) (Иваново, ИГЭУ, 2005, 2011); XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2006); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика в металлургии и машиностроении» (Магнитогорск, учебный центр «Персонал», ММК, 2008); II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, ГОУ ВПО УГТУ, 2009); VII, IX Mezinarodni vedecko-prakticka conference «Aktualni Vymozenosti vedy – 2011, 2013» (Praha, 2011, 2013); III, IV International research and practice conference «European Science and Technology»

(Munich – Germany, 2012, 2013); International research and practice conference «Science, Technology and Higher Education» (Westwood – Canada, 2012); VI Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, ТПУ, 2013); IV Международной научнотехнической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» (Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 2013); ежегодных научных конференциях «Наука ЮУрГУ» (Челябинск, ЮУрГУ, 2009–2011, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 119 печатных работ, в том числе 1 монография, 34 научных статьи, предусмотренных перечнем ВАК РФ, 4 статьи в Международной базе цитирования Scopus, 33 статьи и тезисов докладов на научно-технических конференциях, 27 патентов РФ на изобретение и один патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве со своим научным консультантом Цытовичем Л.И., автору принадлежат основные идеи по созданию новых структур УС, ФСУ, АЦП и адаптивных интегрирующих систем управления на их основе, а также результаты, относящиеся к сопоставительному анализу статических и динамических характеристик элементов систем управления ВП, включая УС, ФСУ, АЦП и ПНЧ различных классов, разработке методики и анализа помехоустойчивости, статических и динамических показателей систем управления вентильными преобразователями на основе компьютерных моделей и их разработку, а также результаты по внедрению ВП в лабораторных стендах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав основного текста объемом 399 страниц, заключения, списка литературы из 400 наименований. Общий объем диссертации 464 страницы, включая 142 рисунок и 57 таблиц.

Глава 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И УСЛОВИЯ

ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕНТИЛЬНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

И ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЦИОНАРНЫХ И АВТОНОМНЫХ СЕТЕЙ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Иностранные компании с целью уменьшения своих затрат на производство и транспортировку товара строят свои предприятия на территории России.

Однако развитие электроэнергетической системы страны не успевает за развитием промышленности.

Качество электроэнергии [349, 350, 355] играет важную роль в обеспечении работоспособности и эффективности функционирования электрооборудования и его долголетия, особенно в области силовых регулируемых ВП, синхронизированных с сетью [116, 118, 140, 155, 183, 283] и воспринимающих помехи, распространяющиеся по элементам электрической сети [38, 97, 102, 103, 108].

Качество электроэнергии нормируется в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения»

[213], где определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц. Основные показатели качества электроэнергии для сетей 0,38 кВ приведены в табл. 1.1.

Однако в реальной обстановке условия ГОСТа зачастую не выполняются, и реальная промышленная или автономная сеть может оказаться существенно искаженной. Это иллюстрируется осциллограммами сети на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (рис. 1.1) по данным работ [284, 344].

Причины этих искажений в основном следующие.

Основные показатели качества электроэнергии для сетей 0,38 кВ Отклонение напряжения сети U от номинального значения UНОМ, % Коэффициент искажения KU синуболее соидальности кривой напряжения, % Длительность провала напряжения ниже уровня 0,9UНОМ, с Временное перенапряжение относидо 60 с выше 1,1UНОМ, % Импульс напряжения, кВ:

Рис. 1.1. Осциллограмма напряжения на шинах 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (а), ток сети 50 Гц/10 кВ и его 11-я гармоника на стане прокатки 2000 (б) Отклонение напряжения (рис. 1.2 а) характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Для него определены нормально- и предельно допустимые значения отклонения на выводах приемников электроэнергии, соответственно, в ±5 и ±10 % от номинального напряжения UНОМ электрической сети. Наиболее распространенным нарушением является снижение напряжения на величину более 10 %. Длительное понижение напряжения возникает в результате перегрузки понижающего трансформатора и линии электропитания. Если потребитель находится в конце линии электропередач, то напряжение может падать до 100–150 В, особенно в часы максимального энергопотребления.

Колебания напряжения (см. рис. 1.2 а) являются следствием переменной нагрузки на сеть в результате подключения/отключения мощных технологических установок. Колебания напряжения согласно [213] не должны превышать значения ±10 % от номинального значения UНОМ.

Провал напряжения (см. рис. 1.2 б) обычно является результатом пуска мощных нагрузок или нагрузок с большим пусковым током (трансформаторы, электродвигатели и т.д.), а также возникает при неисправностях в сети, когда система защиты отключает потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а затем включает снова. Он характеризуется длительностью провала напряжения tП, величина которого в электрических сетях с напряжением до 20 кВ не должна превышать 30 с. Статистически наиболее вероятны провалы длительностью от 6 до 15 с (до 50 %) и более длительные, от 21 до 30 с (около 30 %), причём глубина наиболее часто встречающихся провалов колеблется от 35 до 100 %. Длительность и уровень провала зависит также от сечения подходящих к нагрузке проводов.

Стационарное перенапряжение (см. рис. 1.2 б) возникает в результате того, что, стремясь исправить ситуацию с низким напряжением, обслуживающий персонал нередко переключает обмотки понижающего трансформатора на более высокое напряжение. В результате потребители, находящиеся рядом с подстанцией, имеют на сетевых вводах напряжение от до 260 В, особенно в часы минимальных нагрузок.

Отклонение частоты напряжения в электрических сетях (см. рис. 1.2 в) характеризуется показателем отклонения частоты f, для которого установлены нормально- и предельно допустимые значения: ±0,2 и ±0,4 Гц, соотОсновные виды искажений напряжения сети Колебание Стационарное Стационарный напряжения Отклонение Несинусоидальность напряжения сети напряжения Коммутационный провал Рис. 1.2. Основные виды искажений напряжения в стационарных и автономных ветственно. Частота – общесистемный параметр, т.е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания, совершенно неизвестный на Западе. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась энергосистема Грузии в 1992–1994 годах, которая в целом, видимо, была сильно перегружена, и частота в сети могла опускаться до 42 Гц. В России пониженная частота встречается довольно редко. Тем не менее, даже в Москве сотрудниками фирмы Merlin Gerin была, по их словам, однажды зарегистрирована частота ниже 45 Гц. Нестабильность частоты является фактором, наиболее характерным для автономных источников электропитания ограниченной мощности [71, 225].

Несинусоидальность напряжения (см. рис. 1.2 г) характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения KU и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения. Нормально- и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения должны быть не более 8 и 12 % в точках общего присоединения к электрическим сетям с напряжением 380 В. Следует отметить, что данный вид искажений характерен для сетей электроснабжения промышленных предприятий [280, 350], нелинейные нагрузки которых потребляют ток несинусоидальной формы [37, 46, 128, 223] (например, бестрансформаторные источники бесперебойного питания с емкостным фильтром, компьютеры, вентильные преобразователи) и характеризуются высоким коэффициентом амплитуды тока. Известно, что даже в учебных заведениях, в полном масштабе оснащенных компьютерной техникой, при проведении лабораторных работ невозможно показать студентам синусоидальный характер напряжения сети. Кроме того, в промышленной и бытовой сферах происходит интенсивный рост числа электронной аппаратуры, функционирование которой сопровождается потреблением из сети импульсного тока и, как следствие, генерацией в сеть высших гармонических составляющих [280, 314, 350, 373], способных вызвать повреждение электрооборудования или его неправильное функционирование.

Импульс напряжения (см. рис. 1.2 д) характеризуется показателем импульсного напряжения. Значения импульсных напряжений для грозовых импульсов, возникающих в электрических воздушных и кабельных сетях 380/220, как правило, не превышают 10 и 6 кВ, соответственно [213]. Появление грозового импульса в кабельной сети возможно, если он проникает в нее из воздушной магистрали. Например, если питание на трансформаторную подстанцию 10/0,38 кВ подается посредством воздушной линии, то появление грозового импульса в сети низкого напряжения 380/220 В вполне вероятно. Значения коммутационных импульсных напряжений в сети 380 В могут достигать 4,5 кВ. Причинами возникновения таких помех являются коммутации на участках линий электропередач или переменный характер работы оборудования, особенно сварочного и мощного релейноконтакторного [280, 281, 312].

Коммутационные провалы напряжения (см. рис. 1.2 д) обусловлены индуктивным характером нагрузки вентильного преобразователя (ВП) и их взаимным влиянием друг на друга. Крайне остро данная проблема проявляет себя в системах с питанием от автономных энергоустановок, например, на буровых комплексах, системах морского базирования, автономных транспортных объектах [71, 225, 304, 310].

Если нестационарность параметров сетевого напряжения носит «глобальный» для потребителей характер, то «внутри» каждого потребителя возникают свои дополнительные локальные проблемы, связанные с помехоустойчивостью элементов и систем управления технологическими процессами в целом. Специфика технологических установок, в частности, вентильных электроприводов (ВЭП), состоит в том, что источниками помех для них являются как информационные, так и силовые преобразовательные устройства (табл. 1.2) [38, 97, 102, 104, 107, 108, 221].

Основные источники помех и причины их появления в системах ВЭП Основные источники помех в системах ВЭП Причина появления помехи Коммутирующие устройства постоянного и переСкачок напряжения (тока) менного тока (контакты, реле, рубильники) Преобразователи частоты с широтно-импульсной Последовательность импульсов Непосредственные преобразователи частоты на осПульсации напряжения (тока) нове выпрямителей тока Электрические машины постоянного тока, тахогенеоборотные пульсации напряжераторы Генераторы несущей частоты датчиков технологиче- Амплитудно-импульсная модуских параметров, программируемые контроллеры ляция напряжения Высокочастотный спектр, генерируемый силовой частью ВП, через паразитные индуктивные и емкостные связи между кабельными коммуникациями [102, 104, 312, 370] воздействует на информационные входы слаботочных элементов электроники, вызывая тем самым нарушение работоспособности не только соседних элементов автоматики, но и непосредственно системы управления самого ВП.

На рис. 1.3 показаны спектральные характеристики выходных ЭДС основных элементов схем управления ВЭП, выступающих в роли источников помех [38, 97, 102, 223, 285]. Здесь ЕВЫХ = Е ВЫХ ЕБ – амплитуда гармонических составляющих выходных ЭДС элементов в относительных единицах (для вентильных преобразователей за базовую величину ЕБ принята максимальная выпрямленная ЭДС выпрямителя, для остальных – номинальные значения); fГ – частота гармоник.

Рис. 1.3. Спектральные характеристики выходных ЭДС основных источников За последнее время резко возрос уровень высокочастотных помех с частотным спектром, лежащим выше 5,0 кГц и, в ряде случаев, затрагивающим диапазон, близкий к радиочастотам. Причина заключается в устойчивой за последние несколько лет тенденции перевода значительной части промышленных механизмов на электроприводы переменного тока с управлением от преобразователей частоты (ПЧ), работающих в режиме высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с несущей частотой 2–10 кГц и выше [32, 89, 97, 130, 142, 176, 187, 313, 368, 369].

Работа ПЧ, как генераторов помех для систем промышленной автоматики, к настоящему времени изучена в недостаточной мере, тем не менее, их влияние на работу ВП уже сегодня проявляется достаточно убедительно, особенно в системах с питанием от сети ограниченной мощности [71, 225, 282].

Как показывает практика, наибольшее влияние на ВЭП оказывают гармонические помехи [97, 102, 103, 104, 108], которые могут привести к:

паразитной низкочастотной амплитудной модуляции выходного сигнала схем управления, например, фазосдвигающих и модулирующих устройств [63, 87, 202], когда высокочастотная помеха преобразуется в низкочастотный сигнал на выходе импульсной системы и полностью отрабатывается системой управления. Это, как правило, приводит к неработоспособности силового ВП, либо резкому ухудшению показателей качества процесса регулирования [67, 196, 247];

изменению статических и динамических характеристик отдельных элементов и замкнутой системы электропривода в целом, особенно контуров регулирования, содержащих каналы дифференцирования информативных воздействий [97, 102, 104];

полной неработоспособности схемы управления и возникновению на объектах аварийных ситуаций, опасных как для технологического оборудования, так и для обслуживающего персонала [97, 102].

Это свидетельствует о том, что в схемах вентильного электропривода необходимо особое внимание уделять подавлению гармонических помех, частотный спектр которых находится в диапазоне 50–1200 Гц, и импульсных помех, генерируемых высокочастотными силовыми преобразователями на полностью управляемых вентилях в области от единиц до десятков кГц. Поэтому в области ВЭП и технологической автоматики проблема помехоустойчивости отдельных элементов и системы управления в целом сохраняется актуальной до настоящего времени.

Основные пути проникновения помех в каналы управления САУ приведены в табл. 1.3 [102, 104, 312, 370].

Как показано в работах [97, 102, 104, 107], электростатические составляющие помех в различных схемах управления достигают (50–70) % от общего уровня помех, магнитостатические – (30–45) % и гальванические – (2–5) %. На основании этих данных можно сделать вывод, что при выборе способов подавления влияния помех в различных схемах управления необходимо уделить внимание в первую очередь борьбе с электростатическими помехами, а затем магнитостатическими. Гальванические составляющие помех незначительны.

Основные пути проникновения помех в каналы управления САУ Основные пути проникПричина возникновения новения помех Гальванические линию связи входной цепи элемента схемы управления к Обусловлены электрической составляющей электромагЭлектростатические нитного поля и возникают, за счет, существования паразитных емкостей между отдельными элементами схемы Обусловлены магнитной составляющей электромагнитного поля и появляются за счет существования параМагнитостатические Подавление помех в ВЭП производится в основном двумя путями: за счет применение пространственного и энергетического разделение линий связи [107, 286, 312], экранирования [102, 107, 287, 312], заземление общей точки схемы управления [102, 107, 286, 312] и т.д. (пассивные методы) и элементной базы, которая в силу свойств, присущих некоторым способам обработки информации, обладает собственной высокой помехоустойчивостью (активные методы).

К числу основных недостатков пассивных способов борьбы с помехами [102, 107, 286, 287, 288] следует отнести не только высокие экономические и трудовые затраты при их реализации, но и отсутствие на стадии проектирования полной уверенности в том, что меры, принятые по борьбе с помехами, в период наладки и эксплуатации системы регулирования окажутся эффективными.

Способы активного подавления источников помех с помощью различных стационарных фильтров как на входах систем управления, так и в силовых цепях ВП [102, 107, 225, 282, 289, 290, 293, 312] и устройств гальванического разделения каналов передачи информации [77, 102, 290, 375] по существу являются более универсальными, но не всегда эффективными.

Рассмотрим ВП (рис. 1.4 а), где неотъемлемой частью его системы управления (СУ), кроме информационного канала управления, является канал синхронизации с сетью. Как правило, подобные каналы (см. рис. 1.4 а) реализуются на основе обычных или регенеративных компараторов [116, 117, 118, 140, 155, 160, 175, 176]. При этом канал синхронизации в каждый момент времени осуществляет непосредственное сравнение гармонического сигнала, функцию которого выполняет напряжение сети, с заранее заданными порогами переключения ±b компаратора К (см. рис. 1.4 б, в), а информационный канал управления – непосредственное сравнение сигнала управления с пилообразным напряжением (см. рис. 1.4 д, е), формируемым генератором пилообразного напряжения (ГПН) и синхронизированным с напряжением сети при помощи сигнала установки (см. рис. 1.4 г) с выхода генератора коротких импульсов ГКИ (см. рис. 1.4 а). Формирование и распределение импульсов управления по соответствующим силовым ключам ВП осуществляется в блоке формирователя-распределителя ФР (см. рис. 1. а).

В дальнейшем устройство, осуществляющее синхронизацию системы управления с сетевым напряжением, будем называть устройством синхронизации (УС), а устройства, которые регулируют угол управления У (см.

рис. 1.4 е) или длительность открытого состояния силового ключа в блоке силовых вентилей (БСВ) – фазосдвигающим устройством (ФСУ) или импульсным модулятором (ИМ) соответственно.

Для защиты синхронизирующего и информационного каналов управления от помех в серийно выпускаемых вентильных преобразователях на их входах, как правило, включают стационарные сглаживающие фильтры, например, первого порядка [71, 76, 80, 82, 116, 155, 291, 362, 363].

Однако зачастую подобный способ защиты ВП от внешних воздействий оказывается малоэффективным по следующим причинам.

Во-первых, пути проникновения помех мало предсказуемы, и вполне вероятна ситуация, когда они, минуя фильтр, через паразитные емкостные связи СП будут воздействовать непосредственно на канал синхронизации или управления ВП (см. рис. 1.4 а). На промышленных объектах это, как правило, приводи к аварийному срабатыванию защит ВП и его отключению и, как следствие, росту затрат на выпускаемую продукцию.

Рис. 1.4. Функциональная схема вентильного преобразователя ведомого сетью к пояснению путей проникновения помех со стороны сети (а) и временные диаграммы сигналов его системы управления (б–е) Во-вторых, стационарные фильтры выбираются для данной конкретной электромагнитной обстановки на объекте и в основном по критерию минимизации их влияния на динамику ВЭП. Однако при введении дополнительных мощностей на предприятии эта электромагнитная обстановка меняется, что зачастую влечет за собой трудоемкую перенастройку существующих систем управления технологическими процессами.

Следует отметить, что стремление подавить помеху на входе канала управления с помощью фильтра неизбежно приводит к ухудшению быстродействия всей системы, а в канале синхронизации это способствует снижению помехоустойчивости самого компаратора, что иллюстрируется диаграммами сигналов на рис. 1.4 б. Так, при отсутствии фильтра для получения начального угла синхронизации С необходимы пороги переключения ±b. Установка фильтра приводит к уменьшению амплитуды синхронизирующего воздействия на входе компаратора К и к его фазовому запаздыванию (см. рис. 1.4 б, пунктир). В результате, для сохранения значения С необходимо либо повысить входное напряжение, что не всегда технически реализуемо, либо снизить пороговые уровни компаратора до уровня ±b*, что ведет к потере его начальной помехоустойчивости. Кроме того, наличие фильтра делает весьма проблематичным применение подобных каналов синхронизации в ВП, работающих в условиях нестационарности параметров сети, когда нестабильность как амплитуды, так и частоты напряжения приводит к появлению ошибки угла синхронизации С на выходе УС (см. п.

3.3.1, табл. 3.2) и, как следствие, ограничению диапазона регулирования угла управления силовыми ключами ВП, а также аварийным ситуациям на промышленных объектах, например, по причине опрокидывания ведомого инвертора (см. п. 6.2.1).

Следует также помнить, что сбой в работе канала синхронизации приводит не только к нарушению логического алгоритма управления силовыми ключами ВП, но и неизбежно влияет на информационный канал передачи сигнала управления через контур установки нулевых начальных условий в фазосдвигающем устройстве (см. рис. 1.4 а, г) [63, 196].

Крайне остро проблема помехоустойчивости процесса преобразования полезной информации стоит в ВЭП с автономными источниками электропитания ограниченной мощности [71, 225, 304, 311], где одиночная или совместная работа ВП вызывает значительный рост коммутационных искажений и нестабильности напряжения сети. Исследования, проведенные на объектах подобного класса по методике [97, 102, 104], показали (рис. 1.5), что основной частотный диапазон сигналов помех находится в зоне 50– 3000 Гц, а их уровень зависит от режимов работы ВЭП и резко возрастает при совместном функционировании ВП, а также увеличении нагрузки на сеть (рис. 1.5 б).

Рис. 1.5. Спектральные характеристики сигналов помех системы управления электроприводом бурового станка СКБ-7 с дизель-генераторной силовой установкой при одиночной (а) и совместной (б) работе преобразователей ( Х П = АП А – нормированное значение амплитуды сигнала помехи; А – допустимый диапазон изменения сигнала управления на входе регулятора САУ;

Таким образом, основная причина потока отказов ВП на объектах с подобной спецификой заключается в низкой помехоустойчивости системы управления и отсутствии средств адаптации ее характеристик к сложным условиям эксплуатации силовых управляемых преобразователей. Так, например, серийно выпускаемые тиристорные преобразователи [80, 81, 82, 116, 117, 118, 155, 175] допускают отклонение частоты сети от номинального значения в пределах (3–5) % и уровень коммутационных искажений до 100 % на 3–5 эл. град. В то же время исследования, проведенные на буровых станках с дизель-генераторными силовыми установками, показали, что на объектах подобного типа отклонение частоты сети достигает 25 % при коммутационных провалах напряжения на уровне 100 % на 10–15 эл.

град. Аналогичная картина имеет место и в электроприводах судовых механизмов, транспортных машинах специального назначения, в оборудовании для сельского хозяйства и т.д., где электропитание осуществляется от автономных источников, либо от систем электроснабжения ограниченной мощности.

Проблема электромагнитной совместимости силовых ВП [289, 293, 312, 356, 364, 365, 366, 371, 372, 374] усугубляется также тем, что непродуманный перенос на цифровые алгоритмы обработки данных известных аналоговых способов управления силовыми преобразователями в надежде улучшить качественные показатели системы управления в целом может вызвать обратный эффект. Причина зачастую заключается в том, что простой перенос на язык «цифры» аналоговых принципов построения вносит в систему дополнительную составляющую дискретизации сигнала управления, определяемую тактовой частотой цифровой системы. Высокочастотные помехи, например, от преобразователя частоты, попадающие в этот диапазон частот преобразуются цифровым контуром в сигналы замедленной дискретизации, частотный спектр которых лежит в области рабочих частот системы управления [196, 202]. По этой причине подобные составляющие не поддаются подавлению, так как отсутствуют критерии, по которым они могут быть «отделены» от полезного сигнала управления.

В соответствии с изложенным, актуальной является задача анализа статических и динамических, причем в широком частотном диапазоне, характеристик различных устройств управления ВП с целью выбора такого алгоритма построения системы управления силовым преобразователем, который при простоте технической реализации обеспечивал бы высокую статическую и динамическую точность преобразования сигнала управления, обладая при этом повышенной степенью помехоустойчивости, а также способностью адаптироваться к изменяющимся параметрам сети, что особенно актуально для энергосистем с автономным питанием.

Таким образом, проведенный анализ показал следующее:

– современные энергосистемы как стационарного, так и автономного базирования характеризуются высоким уровнем искажений с трудно предсказуемыми параметрами, зачастую выходящими за допустимые нормы искажений и играющими роль дестабилизирующих факторов в работе не только ВП, но и технологических установок в целом;

– высокий уровень и широкий частотный спектр сигналов помех, генерируемых как со стороны сети, так и непосредственно информационными и силовыми элементами систем управления, не позволяет осуществить их эффективное и гарантированное подавление в случае изменения электромагнитной обстановки на объекте, например, из-за ввода новых промышленных мощностей;

– обеспечение высокой эксплуатационной надежности силовых ВП невозможно без построения их систем управления на основе элементной базы, в основе которой лежат способы преобразования информации, способные адаптироваться к нестационарным параметрам сети и помехам, генерируемым как со стороны источника энергоснабжения, так и элементов вентильного электропривода.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ИХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ

По назначению ВП [48, 73, 128, 153, 184, 315, 327, 328, 367, 376, 390] делятся на выпрямители (преобразование переменного тока в постоянный), инверторы (преобразование постоянного тока в переменный), преобразователи частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты), регуляторы переменного напряжения (изменение величины переменного напряжения, частота и число фаз остаются неизменными), преобразователи постоянного напряжения или широтноимпульсные преобразователи (изменение величины постоянного напряжения), компенсаторы и активные фильтры (устройства, улучшающие качество напряжения в сети).

В свою очередь выпрямители подразделяются на управляемые выпрямители тока и активные выпрямители напряжения (тока). На сегодняшний день управляемые выпрямители тока широкое применение получили в регулируемом электроприводе постоянного тока [80, 82, 139, 140, 156, 351, 352, 380], а активные выпрямители [32, 73, 292, 295, 313] – в качестве силового источника электропитания в двухзвенных преобразователях частоты. Активные выпрямители в отличие от обычных выпрямителей обеспечивают высокие энергетические показатели в сети, такие как коэффициент мощности и cos во всех режимах работы электропривода.

Вентильные преобразователи систем автоматизированного электропривода и технологической автоматики Преобразователи постоянного напряжения (ШИП) Рис. 1.6. Классификация силовых вентильных преобразователей систем электропривода и технологической автоматики (а) и обобщенная структура ВП, синхронизированного с сетью (б) и автономного (в) (УС – устройство синхронизации; ФСУ (ИМ) – фазосдвигающее устройство (импульсный модулятор); ФР – формирователь-распределитель импульсов управления; БСВ – блок силовых вентилей) Для преобразования постоянного тока в переменный применяют инверторы, которые делятся на ведомые и автономные (см. рис. 1.6 а). Ведомые инверторы (ВИ) [48, 129, 296, 315, 345, 381], главным образом, применяются в электроприводе постоянного тока, когда нужно отдать механическую энергию, запасенную в маховых частях электродвигателя и рабочей машины, обратно в сеть. Автономные инверторы (АИ) [48, 73, 89, 91, 128, 142, 295, 329, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389] используются для получения регулируемой частоты в электроприводах переменного тока, а также для получения более высоких частот в электротермических и электротехнологических установках [359, 360, 361, 379].

В настоящее время большое распространение среди ВП получили преобразователи частоты (ПЧ), которые применяются в частотнорегулируемом электроприводе переменного тока [139, 142, 185, 187, 368, 377, 378]. По построению ПЧ могут быть разбиты на два типа: двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) и непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

В ДПЧ [48, 91, 142, 295, 369, 376] первое звено представляет собой выпрямитель тока (управляемый или неуправляемый) с фильтром на выходе или активный выпрямитель напряжения (тока), позволяющий возвращать электрическую энергию обратно в сеть, а второе – автономный инвертор на основе АИН или АИТ.

НПЧ, как правило, выполняются на основе двухкомплектных выпрямителей тока [283, 376, 381, 382] и позволяют получить на выходе частоты только меньшие входных. Переход на полностью управляемые ключи переменного тока, обладающие двухсторонней проводимостью, позволяет преодолеть указанный частотный предел. Такая возможность позволила создать новый тип активных преобразователей с непосредственной связью, подробно рассмотренных в работах [32, 294, 391, 392, 393, 394, 395]. На сегодняшний день такие преобразователи пока не получили широкого промышленного применения.

Регуляторы переменного напряжения обеспечивают изменение действующего напряжения на нагрузке за счет фазового управления. Широкое применение такие регуляторы получили в устройствах для плавного пуска асинхронных электродвигателей [36, 133, 171, 183, 188, 297, 298]. С целью улучшения энергетических показателей в сети для регулирования инерционных объектов, например печей сопротивления и других технологических установок используют регуляторы переменного напряжения с импульсной модуляцией на низкой частоте [49, 248, 252].

Преобразователи постоянного напряжения (ППН) или широтноимпульсные преобразователи (ШИП) получили широкое применение в импульсных источниках питания систем управления и автоматики [37, 41, 46, 98], а также в регулируемом электроприводе постоянного тока [39, 48, 53, 160].

Компенсаторы и активные фильтры [47, 128, 257, 258, 299, 300, 301, 347, 348, 357], главным образом, применяются для повышения энергетических показателей и качества напряжения в сети за счет компенсации реактивной мощности или мощности искажения, которую потребляют из системы электроснабжения нелинейные нагрузки, в том числе и силовые ВП.

По способу синхронизации все ВП можно разделить на два класса: синхронизированные с сетью (см. рис. 1.6 б) и автономные (см. рис. 1.6 в).

Независимо от функционального назначения и способа синхронизации, все перечисленные ВП (см. рис. 1.6 а) относятся к классу импульсных систем, динамика которых определяется частотой несущих колебаний f0 [155, 196]. Импульсная модуляция в ВП может осуществляться на основной частоте (ОЧ) синхронно с напряжением сети, когда f0 = 2fС, на высокой частоте (ВЧ) f0 >> 2fС и низкой частоте (НЧ) f0 2,0ТИ1|A/X0|. Здесь ±А – амплитуда выходных импульсов РЭ.

При включении РП система переходит в режим вынужденных колебаний с частотой сигнала ГПН (Т0)–1, а интервалы t2n–1, t2n развертывающего преобразования (см. табл. 2.2, рис. 2 в) формируются как результат последовательного взаимодействия ведущего YИ1(t) и ведомого YИ2(t) с выхода интегратора И сигналов развертки (см. табл. 2.2, рис. 2 б). В результате, по истечении определенного числа периодов выходных импульсов Y(t) РЭ, определяемого соотношением постоянных времени ТИ1 и ТИ2, их среднее значение Y0 = А(t 2 n t 2 n 1 ) T0,n при ХВХ = 0 достигает нулевого уровня (см. табл.

2.2, рис. 2 в), а коэффициент заполнения = t2n/Т0,n равен 0,5.

При подаче входного сигнала ХВХ > 0, например, в момент времени t (см. табл. 2.2, рис. 2 а), совпадающий с началом очередного цикла развертывающего преобразования, происходит последовательное смещение ведомой развертки YИ2(t) в направлении, противоположном знаку ХВХ (см. табл.

2.2, рис. 2 в). Это приводит к изменению коэффициента заполнения выходных импульсов РЭ (см. табл. 2.2, рис. 2 в), достигающего установившегося значения по истечению нескольких интервалов дискретизации Здесь X ВХ = Х ВХ А – нормированная величина входного сигнала ХВХ.

Интегрирующий РП с ШИМ-2 (ИРП с ШИМ-2) [202, 227, 260] имеет структуру (см. табл. 2.2, рис. 3), аналогичную ИРП с ШИМ-1 (см. табл. 2.2, рис. 1), и отличается от последнего только формой сигнала развертывающей функции YИ1(t), которая представляет собой симметричную относительно нулевого уровня «пилу» с линейно нарастающим и спадающим фронтами (см. табл. 2.1, рис. 4 б).

Необходимо также отметить, что, как показано в работах [63, 196], в интегрирующих РП с ШИМ-1 и ШИМ-2 (см. табл. 2.2, рис. 1, 3) в переходном процессе, вызванном изменением ХВХ, существует ошибка Y0[1], Y0[2] … Y0[n] равная разности между заданным YС ХВХ и реальными Y0[1], РП с выборкой чений сигнала РП с выборкой чений сигнала РП с выборкой управления и (РП с ШИМ-3) Рис. 1. Структурная схема интегрирующего РП с ШИМ-

Х ВХ Х ВХ

Интегрирующий РП с ЧШИМ (см. табл. 2.2, рис. 5) представляет собой замкнутую автоколебательную систему, состоящую из сумматора, интегратора И с постоянной времени интегрирования ТИ и релейного элемент РЭ с неинвертирующей петлей гистерезиса и симметричными относительно «нуля» порогами переключения ±b [167, 196, 325, 338]. Отличительной особенностью данного устройства является то, что входная координата воздействует не только на коэффициент заполнения импульсов на выходе РП, но на частоту автоколебательной системы.

При замыкании цепи внешней знакопеременной обратной связи в интегрирующем РП с ЧШИМ (ИРП с ЧШИМ) возникает режим устойчивых автоколебаний, при котором амплитуда сигнала развертки YИ(t) ограничивается величиной зоны неоднозначности ±b РЭ (см. табл. 2.2, рис.

6 б). В интервале t2n-1 производная выходной координаты звена И определяется разностью сигналов (–А + ХВХ) на выходе сумматора, а в интервале времени t2n – зависит от суммы (А + ХВХ) этих воздействий. В результате за период автоколебаний T0,n среднее значение выходных импульсов Y0 РЭ достигает величины, пропорциональной сигналу на информационном входе РП Y0 ХВХ (см. табл. 2.2, рис. 6 а, б). Характерным является то, что одновременно с изменением коэффициента заполнения импульсов = t2n-1/Т0,n на выходе РП происходит уменьшение частоты их следования по закону где f – нормированное значение частоты импульсов на выходе РП; Т0, Т0,n – период выходных импульсов РП при ХВХ = 0 и ХВХ 0 соответственно.

При этом режим автоколебаний сохраняется во всем диапазоне изменения входного сигнала 1,0 < X ВХ < 1,0.

На основе систем уравнений (1)–(3), табл. 2.1, 2.2, полученных автором с использованием временных диаграмм сигналов для данных классов устройств, рассчитаны регулировочная = F ( X ВХ ) (см. табл. 2.2, рис. 7) и модуляционная f = F ( X ВХ ) (см. табл. 2.2, рис. 8) характеристики РП. Регулировочная характеристика для всех классов РП является линейной = 0,5 (1 + X ВХ ). Для РП с ШИМ нормированное значение частоты импульсов на выходе РЭ f = T0 Т 0,n = 1 в установившемся режиме сохраняется постоянной во всем диапазоне изменения информационной координаты, а в РП с ЧШИМ – уменьшается по квадратичному закону с ростом X ВХ (см.

табл. 2.2, рис. 8). Детальный анализ мультипликативной и аддитивной составляющих статической ошибки РП различного класса и рекомендации по их минимизации даны автором в работе [63].

Очевидно, что различие принципов формирования развертывающих функций в различных классах РП влечет за собой неидентичный характер поведения этих систем при работе с динамическими воздействиями. Причем особый интерес представляет поведение РП в области частот замедленной дискретизации [4, 202, 323, 324, 325, 338], что при работе систем управления технологическими процессами с широким частотным спектром сигналов помех может явиться определяющим фактором не только ухудшения качества процесса регулирования, но и причиной отказов в работе САУ [38, 97, 102, 104, 107].

Таким образом, многообразие принципов построения РП диктует необходимость детального изучения их динамических и спектральных свойств и выявления закона модуляции, обеспечивающего наилучшие показатели качества преобразования информативной координаты.

2.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗАКОНАМИ МОДУЛЯЦИИ

При анализе были приняты следующие допущения:

функциональные блоки, входящие в состав РП, являются «идеализированными» элементами, выполняющими заданную функцию преобразования, а время смена знака выходной координаты РП равно нулю;

коэффициенты передачи РП со стороны информационного входа для постоянной и переменной составляющих сигнала управления равен 1,0;

гармоническая составляющая Х П (t ) = AП sin( 2t TП ) прикладывается на вход РП (см. рис. 2.4 а) в момент времени t = 0 начала очередного цикла развертывающего преобразования;

все классы РП при нулевом уровне входного сигнала имеют одинаковые значения частоты несущих колебаний.

Анализ проводился в относительных единицах, что исключает влияние конкретных параметров функциональных блоков РП на вид получаемых характеристик. В качестве базовых приняты следующие величины:

±А – амплитуда выходных импульсов РП (для ряда развертывающих систем используется значение амплитуды сигнала развертки ±b или ±2b при условии b = A или 2b = A );

частота f0 (период Т0) несущих колебаний РП при нулевом уровне информативного сигнала и при ХП(t) = 0.

Методика анализа динамики РП иллюстрируется блок-схемой на рис.

2.4 б. Учитывая существенную нелинейность динамики развертывающих систем, полученные характеристики представлены в виде пространств диf ( X ВХ, F, АП = 0,1), f [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) для первого интервала дискретизации.

На рис. 2.4 б приняты следующие обозначения: X ВХ = Х ВХ А – нормированная величина сигнала управления ХВХ; АП = АП А – нормированная величина амплитуды сигнала помехи ХП(t); ±А – амплитуда выходных импульсов Y(t) РП; t * n 1, t * n – интервалы развертывающего преобразования при воздействии на вход РП сигнала помехи ХП(t); T0*,n – период интервала дискретизации выходных импульсов РП при воздействии на вход сигнала помехи ХП(t); * = t 2 n1 T0*,n – коэффициент заполнения импульсов РП при воздействии на вход сигнала помехи ХП(t); F = Т 0 Т П – нормированное значение частоты сигнала помехи ХП(t); Т П – период сигнала помехи ХП(t); n = 1, 2, 3,K – целое число, соответствующее порядковому номеру интервала дискретизации выходных импульсов РП.

Пространства динамического модуляционного состояния РП для первого интервала дискретизации Рис. 2.4. Временные диаграммы сигналов (а) и блок-схема методики оценки Обобщенная оценка и сопоставительный анализ динамики РП производились по среднестатистическому отклонению коэффициента заполнения импульсов * [1] и частоты f * [1] на пространстве динамического состояния объекта [5, 62, 69, 196, 197, 338], рассчитанные в соответствии с выражениями (2.3)–(2.4), рис. 2.4 б в заданном диапазоне частот F сигнала помехи ХП(t).

Для определения динамических характеристик РП в области достоверной передачи частот сигнала управления использовался аппарат амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) [184, 196]. Методика снятия АЧХ для импульсных систем, к числу которых относятся РП, представлена на рис.

2.5.

ХВХ(t) – постоянный входной сигнал управления;

ХП(t) – гармонический входной сигнал с амплитудой AП и периодом ТП;

Y(t) – импульсы на выходе РП с амплитудой ±А и периодом T0,n;

t2n–1, t2n – временные интервалы выходных импульсов РП Y(t);

Y0(t) – сигнал на выходе РП с учетом цифрового фильтра ЦФ;

Y0.m – амплитуда переменной составляющей среднего значения импульсов Y(t) на выходе РП;

k = Y0.m /AП – коэффициент передачи переменной составляющей РП;

F = f П f 0 – нормированная частота гармонического входного сигнала ХП(t);

f0 = 1/T0 – несущая частота РП при сигнале управления ХВХ(t) = 0;

FСР = 1 TЭ – нормированное значение частоты среза РП;

TЭ = Т Э T0 – нормированное значение эквивалентной постоянной времени РП.

Рис. 2.5. Методика снятия АЧХ развертывающих преобразователей Здесь (см. рис. 2.5) на информационный вход РП одновременно подается сигнал управления ХВХ(t) и переменный гармонический ХП(t) сигнал с постоянной амплитудой AП и переменной частотой (TП)–1. В результате на выходе РП формируются импульсы Y(t) с частотой (T0,n)–1. Выделение средней составляющей Y0 выходных импульсов РП производится с помощью цифрового фильтра (ЦФ), реализующего алгоритм вида Y0 = A (t 2 n1 t 2 n ) T0,n.

При этом однозначная связь между уровнем входного сигнала ХВХ(t) + ХП(t) и величиной Y0 выходных импульсов РП возникает только по окончанию периода следования T0,n импульсов Y(t). Таким образом, на выходе ЦФ формируется ступенчатый сигнал Y0, близкий к форме входного воздействия ХВХ(t) + ХП(t) и отстающий от ХП(t) на величину T0,n (см. рис. 2.5).

АЧХ развертывающих преобразователей сняты на основе компьютерного моделирования с применением программы MatLab+Simulink [50, 70, 88, 177].

2.2.2. Динамические характеристики развертывающих преобразователей с выборкой мгновенных значений сигнала управления Анализ динамических характеристик РП с ШИМ-1 представлен в табл.

2.3. При анализе считаем, что гармоническая помеха ХП(t) прикладывается на вход РП (см. табл. 2.3, рис. 1) в момент времени t = 0, когда произошло очередное переключение РЭ. Система уравнений (1), табл. 2.3 получена на основе временных диаграмм сигналов РП с ШИМ-1 (см. табл. 2.3, рис. 2, 3).

Решение представлено в виде пространства динамического состояния РП 1 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) (табл. 2.3, рис. 4).

Анализ полученных характеристик позволяет сделать следующие выводы:

Первый максимум пространства 1 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) соответствует границе области достоверной передачи информации (см. табл. 2.3, рис. 4), где развертывающая система фиксирует один отсчет на полупериод входного гармонического сигнала ХП(t).

При Х ВХ = 0 и F = 0,5 гармонический сигнал ХП(t) приводит к появлению на выходе РП приращения t1 импульса Y*(t) положительной полярности (см. табл. 2.3, рис. 2). В случае Х ВХ 0 и F = 0,5 интервал «с–d» содержит информацию о величине постоянной составляющей, а интервал Пространство динамического состояния РП: 1 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) «d–d1» (t2) пропорционален ХП(t). Однако, t2 < t1 (см. табл. 2.3, рис. 2), т.е. с ростом Х ВХ ошибка коэффициента заполнения импульсов 1 [1] в РП с ШИМ-1 снижается (см. табл. 2.3, рис. 4).

1 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) носит периодический с незатухающими экстремумами характер (см. табл. 2.3, рис. 4), свидетельствующий о высоком уровне сигналов замедленной дискретизации в РП с ШИМ-1 и, следовательно, его низкой помехоустойчивости.

При Х ВХ = 0 в точках с частотами F = 1, 2, 3... ошибка 1 [1] стремится к нулю (см. табл. 2.3, рис. 4), так как за период T0,n выходной координаты РП «укладывается» целое число периодов ТП гармонического сигнала помехи ХП(t) (см. табл. 2.3, рис. 3).

При Х ВХ 0 и F = 1,0 на выходе РП с ШИМ-1 появляется ошибка интервала дискретизации t2 (см. табл. 2.3, рис. 3). Очевидно, что для выполнения условия t2 = 0 частота F должна быть уменьшена, на что указывает смещение в область более низких частот с ростом Х ВХ минимумов и максимумов пространства 1 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) (см. табл. 2.3, рис. 4).

В РП с ШИМ-1 динамическая ошибка частоты несущих колебаний f1[1] под действием гармонического сигнала помехи ХП(t) полностью отсутствует, что объясняется наличием дискретного фронта сигнала в развертывающей функции YИ(t) (см. табл. 2.3, рис. 2, 3).

К числу недостатков РП с ШИМ-1 необходи- + 2b повышенную чувствиAП ветствующих условиях вызывают ложные сра- Рис. 2.6. Временные диаграммы сигналов РП с батывания формирователей управляющих импульсов, например, в тиристорных преобразователях, что иллюстрируется диаграммами сигналов на рис. 2.6. Так, угол управления, заданный входным сигналом XВХ, соответствует моменту времени t1. Однако, при выполнении условия YИ(t) = XВХ + ХП(t) высокочастотная помеха ХП(t) приводит к ложному включению РП и появлению ошибки В дальнейшем работа РП может сопровождаться дополнительными ложными включениями, которые возникают по причине высокой амплитуды и производной сигнала ХП(t), превышающей скорость нарастания развертки YИ(t). На практике ложные импульсы управления в тиристорных преобразователях вызывают рост потерь мощности на управляющем переходе тиристоров, а в транзисторных ВП – к дополнительным переключениям силовых ключей и росту коммутационных потерь, что в свою очередь может явиться причиной выхода из строя силового блока ВП.

Диапазон изменения F, при котором отсутствуют ложные срабатывания РП с ШИМ-1, определяется из условия: производная сигнала помехи ХП(t) не должна превышать скорость нарастания развертки YИ(t), т.е.

X П (t ) < 1 TИ. Решая последнее уравнение относительно F совместно с равенством 2b = А и учитывая только выражение, стоящее перед функцией косинус, получаем граничное значение нормированной частоты сигнала помехи ХП(t) для РП с ШИМ- Таким образом, согласно выражению (2.5) диапазон изменения F, при котором отсутствуют ложные срабатывания РП с ШИМ-1, при АП = 0,1 составляет 0 F < 3,2.

Анализ динамических характеристик РП с ШИМ-2 и ШИМ-3 представлен в табл. 2.4–2.5. Системы уравнений (1), табл. 2.4–2.5 получены на основе временных диаграмм сигналов РП с ШИМ-2 и ШИМ-3 (см. табл. 2.4–2.5, рис. 2). Решение представлено в виде пространств динамических состояний РП: 23 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) и f 23 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) (см. табл.

2.4, рис. 5–6, табл. 2.5, рис. 3–4).

Анализ данных характеристик позволяет сделать следующие основные выводы:

Процессы в РП с ШИМ-2 и ШИМ-3, по сравнению с широтноимпульсной модуляцией первого рода (см. табл. 2.3), носят более сложный характер, зависящий как от нормированной частоты F сигнала помехи, так и от постоянной составляющей Х ВХ.

В окрестностях, примыкающей к зоне F 0,5 ошибка коэффициента заполнения импульсов 2 [1] в РП с ШИМ-2 имеет тенденцию к уменьшению с ростом Х ВХ (см. табл. 2.4, рис. 5). Так при F = 0,5 (см. табл. 2.4, рис.

2) и XВХ = 0 приращение сигнала Y*(t) составит t1 вследствие перемещения точки «d» в положение «d1». Под действием постоянной составляющей сигнала управления XВХ передние фронты импульсов РП с ШИМ-2 смещаются на величину t0 XВХ, а задний – до уровня t2 ХП(t). Однако, при этом t2 > t1, т.е. с ростом постоянной составляющей входного воздействия XВХ доля приращения, приходящаяся на динамическую составляющую ХП(t), падает, а ошибка 2 [1] в прилегающей к F = 0,5 зоне уменьшается.

В отличие от РП с ШИМ-1, область частот замедленной дискретизации ( F > 0,5 ) в РП с ШИМ-2 носит более сложный апериодический характер (см. табл. 2.4, рис. 5). Так на частотах близких к F = 1,0 и Х ВХ < 0, составляющие сигналов ОЗД малы, так как гармонический сигнал ХП(t) проходит вблизи точек «c», «d», «e» перехода развертки YИ(t) нулевого уровня (см. табл. 2.4, рис. 3) и среднее значение выходных импульсов Y*(t) РП близко к нулю. Под действием гармонического сигнала ХП(t) и XВХ точка «d1» переходит в положение «d2», возникает приращение сигнала Y*(t), равное t2 (см. табл. 2.4, рис. 3). В результате уровень полезной составляющей выходных импульсов Y*(t) РП с ШИМ-2 падает, а ошибка системы 2 [1] растет по мере увеличения XВХ (см. табл. 2.4, рис. 5).

Вторая характерная зона ОЗД в РП с ШИМ-2 находится в окрестностях частот F = 1,5 и F = 2,5. Здесь вначале с ростом Х ВХ ошибка 2 [1] падает, достигая практически нулевого значения, а затем вновь возрастает (см. табл. 2.4, рис. 5). При Х ВХ = 0 и F = 1,5 под действием сигнала ХП(t) точка «d» переходит в положение «d1», возникает приращение сигнала Y*(t), равное t1 (см. табл. 2.4, рис. 4). Примерно при Х ВХ = 0,35 и F = 1,5 составляющие сигналов ОЗД малы, так как гармонический сигнал ХП(t) проходит вблизи точек «с1», «d2», «e1» и далее с ростом Х ВХ приращение сигнала Y*(t) вновь нарастает до значения t2 (см. табл. 2.4, рис. 4).

В отличие от РП с ШИМ-1 (см. табл. 2.3) в РП с ШИМ-2 имеет место динамическая ошибка несущих колебаний f 2 [1], которая носит периодический характер (см. табл. 2.4, рис. 6). Здесь f 2 [1] не зависит от Х ВХ, а определяется только соотношением частот гармонического сигнала ХП(t) и несущих колебаний (Т0)–1 РП. На частотах, кратных F = 0,5, ошибка f 2 [1] достигает нулевого уровня, а в других зонах не превышает 2,5 %, что в большинстве практических случаев является пренебрежимо малой величиной.

Для РП с ШИМ-2 диапазон изменения частоты сигнала помехи F, при котором отсутствуют ложные срабатывания РЭ и АП = 0,1, в два раза больше, чем для РП с ШИМ-1 и составляет 0 F < 6,4. Это объясняется тем, что при одинаковой несущей частоты (Т0)–1 импульсной системы постоянная времени интегрирования ТИ генератора пилообразного напряжения ГПН в РП с ШИМ-2 в два раза меньше, чем в РП с ШИМ-1 (см. табл.

2.3–2.4, рис. 2).

Для РП с ШИМ-3 пространство динамического состояния 3 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) имеет идентичный характер с аналогичным пространством для РП с ШИМ-2 (см. табл. 2.4, рис. 5 и табл. 2.5, рис. 3). В частности, в зоне 0,6 < F < 1,5 уровень сигнала замедленной дискретизации возрастает по мере увеличения постоянной составляющей сигнала управления Х ВХ, а в областях 1,5 < F < 2,0 и 2,0 < F < 2,5 закон изменения 3 [1] при изменении Х ВХ носит периодический характер с минимальным значениями в области Х ВХ 0,35 и Х ВХ 0,5 соответственно (см. табл. 2.5, рис.

3).

Ошибка частоты несущих колебаний f 3 [1] в РП с ШИМ-3 имеет наиболее высокий уровень в ОЗД (см. табл. 2.5, рис. 4), причем в диапазоне 0,5 < F < 1,5 ошибка f 3 [1] уменьшается с ростом Х ВХ, а при F > 1,5 ее зависимость носит периодический характер с максимумом в зоне 0,3 < Х ВХ < 0,65. В диапазоне F > 0,5 максимальная величина f 3 [1] для РП с ШИМ-3 составляет около 10 %, что превышает аналогичный параметр для РП с ШИМ-2 примерно в 4 раза (см. табл. 2.4, рис. 6 и табл. 2.5, рис. 4).

ШИМ-1 и ШИМ-2 моb дуляция вида ШИМ- имущество в том, что 2b допускает более широA кий частотный диапазон Рис. 2.7. Временные диаграммы сигналов РП с сигналов помех, кото- ШИМ-3 при воздействии высокочастотной помехи рые не приводят к избыточным переключениям РЭ «внутри» интервалов преобразования системы (см. рис. 2.6), а лишь вызывают уменьшение зоны неоднозначности релейного звена автоколебательного контура и рост частоты следования выходных импульсов РП (рис. 2.7).

2.2.3. Динамические характеристики интегрирующих развертывающих Анализ динамических характеристик интегрирующих РП по отношению к гармоническому сигналу помехи представлен в табл. 2.6–2.8 [196, 197, 260, 338]. Системы уравнений (1), табл. 2.6–2.8 получены на основе временных диаграмм сигналов интегрирующих РП (см. табл. 2.6–2.8, рис. 2).

Решение представлено в виде пространств динамических состояний РП:

45 [1] = f (Т И2, F, АП = 0,1) (см. табл. 2.6, 2.7, рис. 3–5, табл. 2.8, рис. 3–4).

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

Частотная область « F » интегрирующих РП, как и любой другой импульсной системы, делится на область достоверной передачи информации и область частот замедленной дискретизации, границей раздела которых является первый максимум пространств 46 [1] = f ( X ВХ, F, АП = 0,1) (см.

табл. 2.6–2.8, рис. 3). Причем для интегрирующего РП с ЧШИМ с ростом Х ВХ граница раздела ОДП и ОЗД смещается вправо по оси F, так как уменьшается частота импульсов на выходе РП (см. табл. 2.8, рис. 3).