А. А. Курганов, Ю.
С. Игольников
ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П.
Огарева» г. Саранск, Россия
Управление двенадцатипульсной кольцевой схемой выпрямления с
уравнительным реактором
В
выпрямительной технике широко известна кольцевая схема [1].. Однако обладает
существенным недостатком – коэффициент формы тока вентиля не является оптимальным.
На основе этой схемы впервые были создана шестифазная кольцевая схема с
уравнительным реактором (УР)[2] (рис.1,а), позволяющая получить проводимость
тока через вентиль в течение 120 эл.град. при амплитуде тока равной половине
тока нагрузки, и ее дальнейшее развитие –двенадцатипульсная схема [3] (рис.1,б).
При обеспечении управляемого режима работы двенадцатипульсной схемы с УР важное
место занимает обеспечение управления. При этом разрабатываемая система
управления (СУ) кольцевой схемой выпрямления должна обеспечивать: установку и
регулирование величины выходного напряжения и тока, стабилизацию этих
параметров и их отображение на дисплее.
а)
Рис. 1 –
Кольцевая схема выпрямителя с уравнительным реактором а) шестипульсная; б)
двенадцатпульсная.
Для
реализации системы управления выбрана отладочная плата на базе STM32F303
(Cortex-M4) [4] (рис.2, а). В её составе
задействованы следующие модули: два таймера/счетчика, сторожевой таймер,
последовательный интерфейс, АЦП и аналоговый компаратор. Пользовательский
интерфейс обеспечивается LCD экраном и цифровым блоком
ввода. Напряжение, ток и температура полупроводниковых приборов контролируются
датчиками и аналогово-цифровым
преобразователем (АЦП) микроконтроллера (МК).
Рис. 2 – а)
структурная схема управляемого выпрямителя; б) общий алгоритм работы программы
Алгоритм
работы программы (рис 2,б) разделен на части в соответствии с выполняемыми
функциями.
В блоке «инициализации»
(рис2, б) происходит включение и настройка аппаратных средств МК, настройка
портов и регистров МК.
В блок
«фоновых процессов» (рис2, б) входят задачи не требующие точного времени
выполнения. К данной группе относятся задачи отображения информации на дисплее,
контроль ввода информации, расчет необходимых коэффициентов и задержек.
В блок
«процессов по прерыванию» (рис2, б) входят задачи требующие от СУ выполнения действий
в определенные моменты времени. К данной группе относится задачи: синхронизации
с входной питающей сетью, контроль и подача угла управления, измерение выходных
параметров.
При запуске
МК программа настраивает порты МК и подключает периферию. После настройки
программа переходит к выполнению кода фоновых задач (рис. 3, а).
Рис. 3 – а)
алгоритм работы фоновой программы; б) алгоритм внешней синхронизации, в)
алгоритм внутренней синхронизации, г) алгоритм синхронизации для вычисления
среднего значения
Выполнение
кодов фоновых задач (рис.3, а) начинается с кода отображения параметров на
дисплее. В процессе выполнения из памяти считывается выводимая информация и
преобразуется в код. После чего на порты к которым подключен дисплей выдается
код. За один цикл программы происходит одно полное обновление информации на
дисплее.
Далее МК
переходит к коду контроля данных вводимых пользователем с клавиатуры. При
выполнении этого кода определяется была ли нажата клавиша. Если «клавиша»
нажата, то программа блокирует повторное нажатие клавиш на некоторое время и
переходит к расшифровке кода нажатой клавиши. После этого программа выполняет
соответствующие действия по изменению выходных параметров и изменению
отображаемой информации. Минимальное время реакции системы, воспринимаемое
пользователем как мгновенное, обеспечивается высокой скоростью выполнения
программы, высокой частотой работы МК,
оптимизированным программным кодом с
минимальным временем выполнения.
Далее МК
переходит к выполнению фоновых вычислений: среднего значения выходного
напряжения, коэффициентов ПИ регулятора. Также осуществляется контроль режимов
работы выпрямителя путем слежения за превышением предельно установленных
параметров. При этом осуществляется разрешение/запрет подачи управляющих сигналов
на тиристоры, что обеспечивает предотвращение развития аварийных режимов.
Алгоритм
работы программ выполняемых по прерыванию представлен на рис. 3, б-г. Он
представляет собой отдельные законченные части кода, выполняемые при возникновении
того или иного события–прерывания МК.
Внешняя синхронизация
(рис. 3, б) с трехфазной сетью реализуется следующим образом.
При
возникновении события положительного перехода ЭДС фазы А через нуль возникает внешнее
прерывание МК. При этом выполняется алгоритм представленый на рис. 3,б. В нем
запускаются два таймера внутренней синхронизации для катодной и анодной групп
тиристоров. Значения задержек таймеров берутся из регистров, в которые ранее
были занесены значения углов. При достижении таймером заданного числа возникает
прерывание при котором происходит окончательное вычисление всех составляющей ПИ
регулятора [5]..
Внутренняя
синхронизация (рис. 3,в)
При
достижении таймером максимального значения возникает прерывание внутренней
синхронизации, в процессе которого происходит формирование сигнала включения
тиристора и перезапуск таймера. Этим самым обеспечивается включение тиристоров
в конкретно заданное время и их четкая последовательность работы [2].
Для
обеспечения режима стабилизации напряжения или тока МК производит измерения
выходных параметров по алгоритму представленному на рис. 3,г с частотой 20 кГц,
что необходимо для достижения требуемой точности вычислений, при этом данные с
АЦП о напряжении и токе передаются в отдельный регистр для их дальнейшей
обработки в процессе выполнения фоновой программы.
Как следует
из алгоритма (рис. 3) наибольший приоритет имеют задачи синхронизации и внутренней
синхронизации, так как они отвечают за угол включения тиристоров и в момент их
выполнения остальные прерывания блокируются. Контроль сбоя программы
осуществляется с помощью сторожевого таймера.
Данная СУ
позволяет с достаточной точностью задавать и контролировать основные параметры
двенадцатипульсной кольцевой схемы выпрямителя с УР, а также позволяет
уменьшить вероятность возникновения тяжелых аварийных режимов.
Литература:
1. Патент SU 265254 A1.
Трехфазный выпрямитель/Ю. И. Горлов. Н 02
m 17.06.1970
2.
Патент
RU 2 325 025 C1. Преобразователь
трехфазного переменного напряжения в постоянное/ Ю. С. Игольников Н 02М 7/06
опубл. 20.05.2008г. Бюл. №14.
3.
Кольцевая
схема выпрямителя с уравнительным реактором / Ю. С. Игольников, А. А. Курганов/ Электротехника, №5, 2013г.,
Фирма Знак.
4.
Описание
платы отладочной STM32F3DISCOVERY
http://www.st.com/web/catalog/tools/FM116/SC959/SS1532/PF254044
5.
Микроконтроллеры?
Это же просто! Том 4 Фрунзе А. В. Изд. Додэка-XXI, 2008