Микропроцессорная система импульсно-фазового управления тиристорным выпрямителем

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использована в системах управления трехфазными тиристорными выпрямителями.
Основными задачами системы импульсно-фазового управления (СИФУ) являются формирование управляющих прямоугольных импульсов на тиристорах и регулирование выходного напряжения тиристорного управляемого выпрямителя с заданной точностью путем изменения фазы управляющих импульсов. Применение микропроцессоров в качестве основы для построения систем управления преобразовательными устройствами, в частности тиристорными выпрямителями, позволяет существенно расширить возможности системы управления как в части реализации алгоритмов работы и математических операций, так и в части обработки, передачи и вывода информации. Но, несмотря на большое количество преимуществ микропроцессорных систем управления перед аналоговыми, к сожалению, у всех микропроцессорных систем есть и недостатки, связанные с дискретностью, приводящие к снижению точности регулирования.
Основой всех СИФУ является фазосдвигающее устройство (ФСУ), принцип работы ФСУ одинаков как для цифровых, так и аналоговых СИФУ: на один из входов компаратора сигналов подается задание, на второй вход подается пилообразный сигнал. Отличием аналоговой СИФУ от цифровой является то, что источником пилообразного сигнала в цифровом ФСУ является таймер или какой-либо счетчик. Точность регулирования цифровой и аналоговой СИФУ, зависит от точности измерения и синхронизации с сетью, кроме того, точность цифровой СИФУ зависит также и от дискретности работы таймера или счетчика микроконтроллера, то есть от их разрядности.
Известна микропроцессорная СИФУ [1], построенная на основе восьмиразрядного однокристального микроконтроллера. Данная СИФУ содержит однокристальный микроконтроллер, компараторы, десятиразрядный аналогово-цифровой преобразователь, масштабирующее устройство, устройство согласования и стабилизатор. Компараторы необходимы для синхронизации с входной сетью, угол отпирания определяется уровнем напряжения, которое поступает через масштабирующее устройство на аналогово-цифровой преобразователь и в цифровом коде передается в однокристальный микроконтроллер, устройство согласования представляет собой формирователь импульсов для отпирания тиристоров. Данная система построена на основе морально устаревшего однокристального микроконтроллера и имеет ряд недостатков, приводящие к низкой точности управления в целом:
- малая разрядность микроконтроллера приводит к низкой дискретности регулирования;
- малая разрядность аналогово-цифрового преобразователя в составе устройства приводит к снижению точности измерения;
- низкая тактовая частота микроконтроллера и оперативная память не позволяют осуществить более сложные математические алгоритмы фильтрации и обработки данных.
Наиболее близкой по технической сущности является микропроцессорная СИФУ [2], построенная на основе восьмиразрядного микроконтроллера RISC архитектуры. В состав приведенной цифровой СИФУ входят блоки формирования синхроимпульсов, блок задания, блоки и цепи защиты, блоки формирования выходного импульса. Блоки формирования синхроимпульсов формируют импульсы, синхронизированные с входным напряжением сети, которые поступают на шесть входов внешних прерываний. Вызов внешних прерываний приводит к обнулению и запуску соответствующих шестнадцатиразрядных таймеров для отсчета интервала времени выдачи импульса управления. Сигналы с блока защит и задания также вызывают внешние прерывания микроконтроллера, напряжение управления поступает на вход встроенного десятиразрядного аналогово-цифрового преобразователя. Данная система управления также имеет ограничения по точности управления, связанные с разрядностью таймеров формирования управляющих импульсов и разрядностью встроенного аналого-цифрового преобразователя. Кроме того, при реализации на базе подобной микропроцессорной СИФУ дополнительных функций, связанных с обменом данными с дополнительными периферийными устройствами: дисплеи, система управления верхнего уровня, дополнительная память, клавиатура и т.п., увеличивается количество прерываний микроконтроллера, что приводит к необходимости настройки вызова прерываний по приоритету. Это, в свою очередь, приводит к смещению вызова менее приоритетных прерываний по времени, ошибкам и потери точности измерения и регулирования. Кроме того, снижается допустимое процессорное время на обработку более сложных алгоритмов управления и математической обработки, что приводит к невозможности их реализации.
Основной целью полезной модели является обеспечение высокой точности работы микропроцессорной СИФУ тиристорного выпрямителя за счет увеличения дискретности задания угла регулирования тиристорами путем значительного увеличения количества разрядов таймеров отсчета интервалов времени в составе ФСУ СИФУ. Следует отметить, что дискретность задания угла регулирования цифровой СИФУ на микроконтроллере ограничена разрядностью таймера или счетчика в составе микроконтроллера. Технический результат достигается за счет реализации СИФУ не на микроконтроллере, а с помощью программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Разрядность таймеров СИФУ на основе ПЛИС ограничивается только количеством логических вентилей в составе ПЛИС и может в десятки раз превышать разрядность таймеров СИФУ на микроконтроллере.
На Фиг. 1 показана микропроцессорная СИФУ с применением ПЛИС. В состав устройства входят: микроконтроллер 1 со встроенным блоком АЦП 4, блоком обмена с периферийными устройствами 5, блоком расчета угла управления 6, блоком последовательного приема и передачи данных 7, ПЛИС 2 с блоком последовательного приема и передачи данных 8, ФСУ 9, блок защиты 3.
Устройство работает следующим образом. Микроконтроллер 1 с помощью встроенного блока АЦП 4 осуществляет измерения всех необходимых измеряемых сигналов выпрямителя (входные и выходной токи и напряжения, обороты электродвигателя или какой-либо другой технологический параметр и т.п.). С помощью программно реализованного блока 5 осуществляется обмен со всеми подключенными к устройству периферийными устройствами (дисплеи, клавиатура, система или пульт управления верхнего уровня и т.п.), на которые при необходимости отправляются данные о состоянии выпрямителя, измеренные значениях входных сигналов, а также принимаются команды управления. В блок 6 поступают все необходимые измеренные величины, а также задание для выпрямителя и производится расчет угла управления с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования. Полученный угол управления с помощью встроенного блока последовательного приема и передачи данных SPI 7 передается в ПЛИС 2 на блок последовательного приема и передачи данных 8, с выхода которого поступает в ФСУ 9. Сформированные ФСУ 9 сигналы управления подаются в блок формирования импульсов управления 10. Для быстрой реакции всей системы на аварийные ситуации предусмотрен блок защиты 3, по сигналу от которого происходит блокировка работы ФСУ 9, а также информация об аварии передается блоком 5 в систему или пульт управления верхнего уровня.
В этом случае микроконтроллер осуществляет обмен с периферийными устройствами, измерение, математическую обработку данных и расчет угла управления, реализует основной алгоритм управления и не учувствует в процессе формирования фазы управляющих импульсов. Таким образом, события, вызывающие внешние и внутренние прерывания микроконтроллера, не влияют на точность работы все СИФУ в целом. Кроме того, ПЛИС позволяет реализовать ФСУ с более высокой разрядностью и повысить дискретность формирования управляющих импульсов.
Источники информации:
1. Ставицкий В.Н., Ставицкий Вл.Н. Микропроцессорная система импульсно-фазового управления тиристорным регулятором напряжения. - г. Донецк, 2012 г. Донецкий национальный технический университет.http://ea.donntu.edu.Ua/bitstream/123456789/10063/1/136.pdf
2. Кадыров И.Ш., Борукеев Т.С, Матекова Г.Д. Микропроцессорная система импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. - 2017 г. 1-1 (41). - С. 36-43.