Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Сергеев, Александр Георгиевич

• Сергеев, Александр Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергеев, Александр Георгиевич

Введение

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПРОИЗВОДСТВА ТИРИСТОРНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1 Обзор состояния тиристорных выпрямителей для двигателей постоянного тока

1.2 Технические требования для микропроцессорных систем управления (МПСУ) тиристорным выпрямителем

1.3 Выводы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

2.1 Основные этапы проектирования МПСУ

2.2 Анализ и разработка структуры МПСУ

2.3 Разработка алгоритма управления МПСУ

2.4 Выбор типа микропроцессора

2.5 Алгоритм автонастройки МПСУ 51 2.7 Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ САР СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ И МПСУ

3.1 Анализ особенностей динамических свойств системы с тиристорным выпрямителем и двигателем постоянного тока при большом диапазоне регулирования скорости

3.2 Исследование динамических процессов на модели

3.3 Оптимизация динамических процессов

3.4 Оптимизация структуры МПСУ с аналоговыми датчиками скорости

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ

УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Опытный образец САР скорости двигателя постоянного тока на базе тиристорного выпрямителя с МПСУ

4.2 Алгоритм работы МПСУ

4.3 Разработка принципиальной схемы МПСУ и результаты исследования

4.4 Выводы 93 Заключение 94 Литература 95 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода»

Актуальность работы. В настоящее время большое значение имеет развитие полупроводниковых преобразователей с микропроцессорным управлением для регулирования скорости асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных двигателей. Однако не утратил актуальность вопрос создания тиристорного микропроцессорного управления для электропривода (ЭП) постоянного тока, который отличается высокой надежностью, обратимостью преобразования электроэнергии, низкой стоимостью и простотой алгоритмов управления (скалярное управление вместо векторного в транзисторных системах). В настоящее время во многих производственных механизмах горной, металлургической, полиграфической, цементной и других отраслях промышленности широко применяется ЭП постоянного тока. Поэтому нет оснований утверждать, что в обозримом будущем произойдет полное вытеснение тиристорных систем регулирования постоянного тока электроприводом переменного тока.

Особый прогресс в развитии серийного тиристорного ЭП постоянного тока в нашей стране наблюдался в 70 - 80 гг. XX века. Большой вклад в развитие этого направления внесли российские ученые: Булгаков А.А., Шипилло В. П., Слежановский О.В., Юньков М.М., Ключев В.И., Ильинский Н.Ф., а также основатель Чебоксарской школы приводчиков Поздеев А.Д., его ученики и продолжатели Иванов А.Г., Донской Н.В., Никитин В.М., Горчаков В.В., Альтшуллер М.И. и др.

За рубежом наибольших успехов в развитии тиристорных систем регулирования ЭП достигли фирмы Siemens, ABB, BOSCH и др., которые наряду с современными приводами переменного тока провели модернизацию аналоговых систем приводов постоянного тока и успешно применяют современные тиристорные ЭП с цифровым управлением. Однако использование результатов этих разработок ведущих инофирм при модернизации отечественных тиристорных систем регулирования оказывается практически невозможным. Это обусловлено засекреченностью информации в условиях рыночных отношений и, в отличие от аналоговых систем, большими техническими трудностями по алгоритмической и программной расшифровке принципиальных решений.

В настоящее время в России и СНГ освоен большой парк двигателей постоянного тока (серии 2П, 4П, 4ПФ, ДПР и др.) различной мощности и тиристорных преобразователей для ЭП (серии ЭПУ1, ЭПУ2, ЭПУ5, ЭТУ, БОГ и др.), которые нуждаются в модернизации с использованием достижений современной силовой электроники и микроэлектроники, в том числе микропроцессорной техники. Применение микропроцессорной техники позволяет реализовать новые функции и алгоритмы, не доступные ранее для аналоговых систем. В связи с этим, задачи модернизации рассматриваемых систем с улучшением их потребительских свойств, динамических показателей и структуры регулирования являются актуальными.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка и исследование тиристорного выпрямителя (ТВ) с микропроцессорной системой управлением (МПСУ) для широкорегулируемого электропривода постоянного тока. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Обоснование технических требований к разработке МПСУ тиристорным выпрямителем для широкорегулируемого электропривода постоянного тока.

2. Разработка структуры, алгоритма системы регулирования и методики автонастройки параметров регуляторов.

3. Исследование особенностей динамических процессов системы регулирования при больших диапазонах регулирования с нелинейной нагрузкой и оптимизация ее динамических характеристик.

4. Экспериментальные исследования, подтверждение достоверности результатов теоретических положений, изложенных в диссертации.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы теории электрических цепей, теория автоматического регулирования, теория цифровых систем управления, методы имитационного моделирования, а также численные методы. Разработка и отладка программных продуктов осуществлялась с помощью сред разработки С++, VisualDSP. Экспериментальная часть выполнялась на опытном образце модернизированного тиристорного преобразователя ЭПУ1М с применением персонального компьютера, отладочного средства ADMC300 EVALUTION KIT.

Научная новизна.

1. На основании исследования зарубежных и отечественных разработок синтезирована МПСУ ТВ по известному аналоговому прототипу - серийному электроприводу ЭПУ1М, отличающаяся автонастройкой параметров регуляторов, компенсацией моментной нелинейности и нелинейности режима прерывистого тока.

2. В результате проведенного теоретического исследования коэффициента передачи тиристорного выпрямителя для наиболее распространенных на практике случаев (aL^») получены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять компенсацию нелинейности режима прерывистого тока.

3. На основании аналитических исследований и компьютерного моделирования выполнен анализ процессов пуска и реверса двигателя в тиристорной САР при большом диапазоне регулирования скорости с нагрузочным моментом типа «сухое трение» и получены новые результаты.

4. Предложен и экспериментально испытан способ повышения быстродействия пусковых режимов двигателя при малых скоростях вращения под нагрузкой.

Практическая ценность.

1. Разработана и испытана МПСУ тиристорным выпрямителем для регулирования скорости двигателя постоянного тока с автонастройкой, которая рекомендуется при модернизации аналоговых устройств типа ЭПУ1М, КЭП и др.

2. Разработаны алгоритмы и программы для синтеза микропроцессорной системы с аналоговыми датчиками скорости и ЭДС.

3. Создан опытный образец трехфазной реверсивной тиристорной микропроцессорной системы электропривода и выполнены его экспериментальные исследования.

4. Проведена экспериментальная проверка эффективности предложенного способа повышения быстродействия тиристорной системы регулирования при пуске и реверсе двигателя на малых скоростях вращения при статическом моменте типа «сухое трение».

Практическая реализация. Практическая ценность диссертации подтверждается решением ряда актуальных задач. Предложенные в работе новые технические решения защищены патентами, а результаты исследования рекомендуется взять за основу при разработке и внедрении нового поколения тиристорных электроприводов взамен выпускаемых ОАО «ЧЭАЗ» серий ЭПУ1М, КЭП1, БОТ и ЭПУ5.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на V, VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2003, 2005 и 2007 гг.), V и VI Всероссийских научно-технических конференциях «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2004 и 2006 гг.), II и III Республиканских научно-технических конференциях молодых специалистов «Электротехника, электроэнергетика, электромеханика» (г. Чебоксары, 2004 и 2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ: из них 15 научных статей в научных журналах и материалах научных конференций. По теме диссертации получены 4 патента РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа объемом 152с. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 наименований и 2 приложений. Работа содержит 44 рисунка и 1 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Сергеев, Александр Георгиевич

4.4 Выводы

Разработаны экспериментальный образец САР скорости двигателя на базе ТВ с МПСУ, электрическая принципиальная схема МПСУ и алгоритм работы МПСУ. На языке ассемблер составлена программа, реализующая данный алгоритм.

Проверено функционирование системы и основные положения диссертации. Результаты испытаний положительные. По основным техническим решениям получены патенты на полезные модели и изобретения [18,19,23,31,32]

Заключение

На основе выполненных исследований в диссертации получены следующие результаты:

1. Предложена структура тиристорной микропроцессорной системы регулирования скорости двигателя постоянного тока, отличающаяся автонастройкой и компенсацией влияния моментной нелинейности и нелинейности режима прерывистого тока.

2. Получена аналитическая зависимость коэффициента передачи ТВ, упрощающая линеаризацию характеристик выпрямителя в режиме прерывистого тока.

3. Выполнен анализ динамических процессов и предложен способ повышения быстродействия пусковых режимов в САР с МПСУ при больших диапазонах регулирования скорости двигателя под нагрузкой.

4. Создан опытный образец микропроцессорной системы регулирования скорости двигателя постоянного тока и проведены его экспериментальные исследования. Полученные результаты свидетельствуют о соответствии теоретических и экспериментальных данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергеев, Александр Георгиевич, 2007 год

1. Белов Г.А, Динамика импульсных преобразователей. Чебоксары: изд-во Чувашского университета, 2001, 528с.

2. Белов Г.А. Электронные цепи и микросхемотехника. Учебное пособие для вузов. Чебоксары: изд-во Чувашского университета, 2004, 780с.

3. Бесекерский В. А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1987 - 320с.

4. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976.

5. Булгаков А.А. Новая теория управляемых выпрямителей. М., «Наука», 1970, 320с.

6. Блаженков М., Саньков М., Ченцов Д. Система управления тиристорным преобразователем // Современная технология автоматизации. 2000. №2, с.60-65.

7. Волгин Л.Н. Оптимальное дискретное управление динамическими системами/ Под. ред. П.Д. Крутько. М.: Наука, 1986.

8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие.-СПб.: КОРОНА принт, 2001.-320с.

9. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB. СПБ.: Питер, 2000. 429с.

10. Гультяев А. Имитационное моделирование в среде Windows. Санкт-Петербург: Корона принт, 1999. 287с.

11. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: учеб. Пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1991.

12. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1988.

13. Динамика вентильного электропривода постоянного тока. Под ред. канд. техн. наук А.Д. Поздеева. М., «Энергия», 1975, 224с.

14. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.

15. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1975. 752с.

16. Зимин Е.Н., Кацевич B.JL, Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями М.: Энергоатомиздат, 1981.-192с.

17. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебн. пособие.- Изд. 2-е, испр. и доп.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.-664с.

18. Иванов А.Г., Арзамасов B.JL, Пименов В.М., Сергеев А.Г. Микропроцессорный электропривод. Патент №2280315 на изобретение. Бюллетень №20. Опубл. 20.07.2006.

19. Иванов А.Г., Арзамасов В.Л., Пименов В.М., Сергеев А.Г. Тиристорный электропривод постоянного тока с микропроцессорным управлением. Патент №43702 на полезную модель Бюллетень №3. Опубл. 27.01.2005.

20. Иванов А.Г. К вопросу о динамических моделях и методиках синтеза замкнутых систем с управляемыми выпрямителями // Труды Академии электротехнических наук Чувашской республики, 2001. №2, с.76-82.

21. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Динамические особенности широкорегулируемого электропривода. Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики, Чебоксары, 2004, №2.

22. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Источник регулируемого напряжение Патент №58819 на полезную модель. Бюллетень №33. Опубл. 27.11.2006.

23. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Методика определения параметров самонастройки в микропроцессорных САР с управляемыми выпрямителями //

24. Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы V Всеросс. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2003, с. 3-6.

25. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Модель нагрузки в системе «управляемый выпрямитель-двигатель» // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы VI Всеросс. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2005, с. 50-53.

26. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Особенности динамики тиристорного электропривода при малых угловых скоростях вращения// Электротехника, 2005. №11, с. 56-58.

27. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Тиристорный электропривод. Патент №55228 на полезную модель. Бюллетень №21. Опубл. 27.07.2006.

28. Иванов А.Г., Сергеев А.Г. Электропривод с микропроцессорным управлением. Патент №50062 на полезную модель. Бюллетень №34. Опубл. 10.12.2005.

29. Иванов А.Г., Чернышев А.С. Устройство для управления двигателем постоянного тока. А.с. №762117, Б. И. №33,1980г.

30. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. Для вузов. -М: Энергоатомиздат, 1992.-544с.

31. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода М.: Из-во МЭИ, 2000 -162с.

32. Ильинский Н.Ф. Электропривод в современном мире //Автоматизированный электропривод: Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: Санкт-Петербург, 2007.

33. Каган Б.М., Сташин В.В. Микропроцессоры в цифровых системах. М.: Энергия. 1979,192с.

34. Козярук А.Е. Электропривод в Санкт-Петербурге: вчера, сегодня, завтра// Автоматизированный электропривод: Сборник материалов V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции: Санкт-Петербург, 2007.

35. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. -М.: Радио и связь, 1991. -376с.

36. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник. Под ред. В.М. Перельмутера-М.: Энергоатомиздат. 1998.-319с.

37. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научныхгработников и инженеров. М.: Изд-во «Наука. 1970, 720с.

38. Коровин Б.Г., Чмут В.И. Компенсация нелинейности звена тиристорный преобразователь двигатель в микропроцессорном электроприводе. Многомерные электромеханические системы.-Л: Изд-во Северо-Западного политехи, ин-та, 1987.

39. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы. Учебное пособие. Солодовников В.В., Коньков В.Г., Суханов B.JL, Шевяков О.В. М.: Высшая школа, 1991.-255с.

40. Микропроцессорные системы управления электроприводами./ Кулесский Р.А., Бородин М.Ю., Ишматов З.Ш. и др. Свердловск: СЦНТИ, 1986.-49С.

41. Морисита И. Аппаратные средства микро-ЭВМ: пер. с япон. М.: Мир, 1988.-280с.

42. Никулин В.В., Гуляев И.В., Тутаев Г.М. Моедлирование нагрузки электропривода // Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития: Тр. IV Междунар. (XV Всероссийской) конф. По автоматизированному электроприводу. Ч. 1. Магнитогорск, 2004, 331с.

43. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. М.: Интернет-Университет информационных технологий -ИНТУИТ.РУ, 2004,440с.

44. Онищенко Г.Б. Электрический привод. Учебник для вузов М.: РАСХН. 2003-320с.

45. Перельмутер В.М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-340с.

46. Перельмутер В.М., Соловьев А.К. Цифровые системы управления тиристорным электроприводом. Киев: Техника. 1983, 104с.

47. Поздеев А.Д. Теория вентильного и цифрового электропривода. Анализ и синтез линеаризованных структур электроприводов. Чебоксары. Изд-во Чуваш, ун-та, 1994.

48. Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др.; Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1978 - 448с.

49. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1989.

50. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1988.

51. Пухальский Г.И., Новосельцова Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник.-М.: радио и связь, 1990.

52. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992-296с.

53. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. школа, 1980,424с.

54. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100/ Пер. с англ. О.В. Луневой; Под ред. А.Д. Викторова; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.-Санкт-Петербург, 1997.-520с.

55. Силовая электроника/ Под ред. Р. Лампе: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1987.

56. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987.-224с.

57. Токхайм Р. Микропроцессоры. Курс и упражнения: Пер. с англ./ Под ред. В.Н. Грасевича. М.: Энергоатомиздат, 1987.

58. Управляемый выпрямитель в системах автоматического регулирования/ Н.В. Донской, А.Г. Иванов, В.М. Никитин, А.Д. Поздеев; Под ред. А.Д. Поздеева.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-352с.

59. Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г. Микропроцессорные системы управления тиристорными электроприводами/ Под. ред. О.В. Слежановского-М.: Энергоатомиздат, 1986.-240с.

60. Файнштейн Э.Г., Файнштейн В.Г. Электроприводы постоянного тока с микропроцессорным управлением.-М.: Энергоатомиздат, 1986.-256с.

61. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. 5-е изд., перераб. - М.: Мир, 1998.-704с.

62. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979.-616с.

63. Шило B.JI. Популярные цифровые микросхемы: Справочнк. М.: Радио и связь, 1987.-352с.

64. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. М., «Энергия», 1969, 400с.

65. Электропривод постоянного тока. Состояние и тенденции. // Докл. научно-практического семинара. М.: Издательство МЭИ, 2002 - 72с.

66. ADMC300 Single Chip DSP Motor Controller Data Sheet, Analog Devices.

67. ADMC300 DSP Motor Controller. Developer Reference Manual. Revision 2.0, 1998.

68. ADSP-2100 Family User's Manual, Third Edition, 9/95, Analog Devices.