Сергеев А.Г. Конспекты лекций по дисциплине - Системы управления полупроводниковыми преобразователями - Микропроцессорные системы управления полупроводниковыми преобразователями
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования Российской Федерации
Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова
А.Г. Сергеев
Конспекты лекций
по дисциплине
«Системы управления полупроводниковыми
преобразователями»
Тема: Микропроцессорные системы управления полупроводниковыми
преобразователями
Чебоксары – 2008
Конец ХХ – начало ХIX веков ознаменовались значительными успехами
в области микроэлектроники и микропроцессорной техники. Рост степени
интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к
микроконтроллерам с встроенным набором специализированных
периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены
аналоговых систем управления силовыми преобразователями электроэнергии
на системы прямого цифрового управления.
Прямым микропроцессорным управлением называется такое
управление, при котором с помощью микроЭВМ или микроконтроллера
осуществляется организация сигналов управления и выдача управляющих
импульсов на ключи преобразователя (тиристоры в управляемых
выпрямителях УВ, транзисторы в автономных инверторах АИ).
Цифровая СИФУ УВ и ее особенности
Одной из основных функций СИФУ является реализация расчетного
времени запаздывания импульса управления тиристором относительно
момента его естественного отпирания. Реализация задержки возможна как на
программном уровне, так и с помощью программируемого таймера (ПТ),
причем второй способ оказывается наиболее эффективным при
осуществлении непосредственной синхронизации ПТ с напряжением
питающей сети.
В цифровых СИФУ, как и в аналоговых, преимущественно используется
вертикальный способ управления.
Обобщенная структурная схема СИФУ приведена на рис. 1. В схему
входят: 1) БС - блок синхронизации с сетью; 2) ПТ - программируемый
таймер; 3) ГТИ - генератор тактовых импульсов; 4) ФИ – формирователь
импульсов; 5) РИ – распределитель импульсов; 6) БВК – блок выходных
каскадов; 7) УВ – управляемый выпрямитель; 8) Тр – трансформатор
синхронизации; 9) Zn – нагрузка.
В рассматриваемой СИФУ ПТ выполняет функцию фазосмещающего
устройства. При этом зависимость угла управления
от задаваемого числа
N
, заносимого в ПТ, определяется выражением:
СТИ
NTN
)(
, (1)
где
ти
T
– период следования тактовых импульсов на выходе ГТИ;
c
–
круговая частота напряжения питающей сети.
Á Ñ Ô È Ð È Á Â Ê Ó Â Ï Ò
Ã Ò È
ì è ê ð î
Ý Â Ì
Z
n
Ñ å ò ü
Ò ð
f
ò è
/ k
Рис.1.
Особенностью цифровой СИФУ является то, что здесь угол управления
может принимать только дискретные (фиксированные) значения (в отличие
от аналоговой СИФУ). Дискретность угла управления
, формируемого
при помощи ПТ, определяется из выражения:
СТИ
T
. (2)
Так, например при
МГц2
ти
f
и
Гц50
с
f
составляет
3
109
эл.град.
Таким образом, из последнего выражения следует, что чем больше
ТИ
f
, тем
меньше
. Но при этом необходимо учесть разрядность микроЭВМ,
поскольку при изменении N от 0 до Nmax угол
должен изменяться от 0 до
180 эл.град (от 0 до
рад). А Nmax зависит от разрядности процессора, так
при n=8
2562
8
max
N
.
Условием перекрытия угла от 0 до 180 эл.град. является
СТИ
TN
max
или
n
ТИ
f 2100
, (3)
где n – разрядность микроЭВМ.
При n=8 и
МГц2
ти
f
максимальный угол управления, который можно
получить в цифровой СИФУ составляет
04.0102314256
6
рад или 2,3
эл.град. Из (3) следует что при n=8
25600256100
ТИ
f
Гц. Поэтому в ЦСИФУ
необходимо применять микроЭВМ с n=16 (современные процессоры имеют
как раз такую разрядность) или программно-аппаратные таймеры. При n=16
5,62100
16
ТИ
f
МГц. В этом случае
3
108,2
эл. град.
В связи с этим, в некоторых случаях бри больших значениях
ТИ
f
между
ГТИ и ПТ ставят делители частоты. На рис. 1 показано пунктиром. Где k –
коэффициент деления.
Другой особенностью цифровой СИФУ является то, что значение
управляющего сигнала
У
U
, а следовательно, и значение угла
, может
изменяться только в определенные моменты времени. Это время называется
интервалом повторения вычислений (ИПВ) или дискретностью цифровой
системы
Д
T
и в течение которого микроЭВМ определяет новое значение
угла управления, которое записывается в ПТ. В современных цифровых
СИФУ
Д
T
может принимать значения до 20мкс и ниже. Интервал
повторения вычислений зависит только от производительности микроЭВМ.
Таким образом, мы рассмотрели основные особенности цифровых
СИФУ. При проектировании цифровых СИФУ необходимо обратить особое
внимание на три параметра:
,
ТИ
f
и
Д
T
. Но при выборе
ТИ
f
следует
учесть, что при данной разрядности микроЭВМ и изменении N от 0 до Nmax
угол должен изменяться от 0 до 180 эл. град. Это является главным условием
при проектировании цифровых СИФУ.
Одноканальная программно-аппаратная цифровая СИФУ
Рассмотрим программно-аппаратную одноканальную цифровую СИФУ
(рис. 2). Ее программная часть, выполненная на микроЭВМ, на каждом
Ã Ò È
ì è ê ð î Ý Â Ì
Á Ñ
Á Ç È
Á Ð È
Ø Ä À
( f ã )
Ø Ñ
( T ï )
( N
)
( N ò )
Ò 1
Ò 2
Ò 3
Ò 4
Ò 5
Ò 6
À ï ï à ð à ò í à ÿ
÷ à ñ ò ü
Ï ð î ã ð à ì ì í à ÿ
÷ à ñ ò ü
Рис. 2.
интервале дискретности УВ
П
T
(не путать с дискретностью цифровой части
Д
T
) рассчитывает угол открывания
и номер тиристора
T
N
, который
требуется открыть на данном интервале
П
T
(для
6m
60
П
T
эл. град).
Аппаратная часть выполняет синхронизацию работы СИФУ с сетью,
питающей УВ, осуществляет задержку времени для управляющих
импульсов, создает необходимый по форме и мощности управляющий
импульс и подает его на соответствующий тиристор. В аппаратную часть
СИФУ входят следующие основные устройства: блок синхронизации БС,
блок задержки импульсов БЗИ, блок распределения импульсов БРИ. Блоки
аппаратной части СИФУ связаны с микроЭВМ шинами данных и адреса
ШДА и шиной синхронизации ШС.
Блок синхронизации вырабатывает систему импульсов, сфазированных
относительно напряжения питания УВ и синхронизирующих работу
микроЭВМ с БЗИ и БРИ. В состав БС входят (рис. 3): фильтры Ф1, Ф2, Ф3,
выделяющие первые гармоники фазных напряжений
a
u
,
b
u
,
c
u
; нуль-орган,
создающий синхронизирующие импульсы (СИ) в моменты естественного
открывания тиристоров; двоичный счетчик с числовой емкостью
СТ
N
,
выдающий номер интервала проводимости УВ
И
N
; функциональный
преобразователь F, дающий информацию о продолжительности интервала
дискретности
П
T
, а также импульсы с1, с2, с3 записи и стирания данных в
БЗИ и БРИ и запрета счета микроЭВМ. Работа БС для трехфазной мостовой
схемы УВ проиллюстрирована диаграммой, приведенной на рис. 4.
Выходные сигналы а2, а1, а0 счетчика, образующие в двоичном коде число
И
N
изображены в функции
t
C
, где
C
- угловая частота напряжения сети (
CC
f
2
).
1 C T Q
D
R
+ 1
C
>
a 0
a 2
N è
a 1
F
c 1 , c 2 , c 3
T ï
Ô 1
Ô 2
Ô 3
u a
u b
u c
N ñ ò - 6
f ã
Рис. 3
U c
U a
U b
U c
U a
T 5
T 6
T 1
T 2
T 3
T 4
T 5
c
t
5 0 1 2 3 4 5
C È
à 0
à 1
à 2
N è
c
t
c
t
c
t
c
t
Рис. 4
Синхронизирующие импульсы, поступающие на суммирующий вход
счетчика, определяют на его выходе шесть разных интервалов проводимости,
т.е. интервалов состояний тиристорного моста с номерами
5,...,0
И
N
.
Счетчик в составе БС работает в циклическом режиме, повторяя номера
интервалов через период сетевого напряжения. На каждом интервале
микроЭВМ рассчитывает величину задержки открывающего импульса
относительно точки естественного отпирания УВ и номер
T
N
открываемого
на данном интервале тиристора. Рассмотрим, как решается эта задача в
данной СИФУ.
Угол открывания тиристоров
рассчитывается микроЭВМ на основе
управляющего сигнала и определяется относительным числом
*
)2(
EmN
,
где
m
- число тиристоров;
E
- целая часть
N
, т.е. целое число
интервалов проводимости УВ;
1
*
- дробная часть
N
, т.е. часть одного
интервала проводимости.
Так как
1800
, то для трехфазной мостовой схемы УВ с
6m
E
может принимать одно из трех значений (0, 1, 2), соответствующих угловым
интервалам
60...0
,
120...60
,
180...120
. Номер тиристора, который
необходимо открыть на данном интервале дискретности, зависит от номера
этого интервала
И
N
и величины
E
. Действительно, из диаграммы на рис. 4
следует, что, например, для
2
И
N
и
0E
нужно открыть тиристор Т3, а для
2
И
N
и
2E
- тиристор Т1.
N è
Å = 0
0 1 2 3 4 5
Å = 1
Å = 2
Ò 1 Ò 2 Ò 3 Ò 4 Ò 5 Ò 6
Ò 1 Ò 2 Ò 3 Ò 4 Ò 5
Ò 1 Ò 2 Ò 3 Ò 4 Ò 5
Ò 6
Ò 6
Рис. 5
Алгоритм определения номера тиристора можно представить в виде
таблицы (рис. 5). Для определения номера открываемого тиристора
T
N
имеются несколько условий.
1. Если при переходе от предыдущего интервала [n-1] к последующему
[n]
0]1[][ nEnEE
, то
][nN
T
определяется по горизонтальной строке
таблицы на рис.5 с заданным значением
E
:
EnNnN
ИT
1][][
для
EN
И
или
mEnNnN
ИT
1][][
для
EN
И
.
2. Если
1E
, то включение очередного тиристора происходит через
один интервал, т.е.
]1[][ nNnN
ИT
, откуда
1]1[]1[ nNnN
TT
для
6]1[ nN
T
или
1]1[ nN
T
для
6]1[ nN
T
.
3. Если
2E
, то включение очередного тиристора происходит через
два интервала, т.е.
]1[][]1[ nNnNnN
TT
, откуда
]1[]2[ nNnN
TT
для
6]1[ nN
T
или
1]2[ nN
T
для
6]1[ nN
T
.
4. Если
1E
, то на интервале [n] должны поочередно включаться два
тиристора.
Сначала при
0
1]1[][' nNnN
TT
для
6]1[ nN
T
или
1][' nN
T
для
6]1[ nN
T
.
Затем при расчетном значении
KP
0
1][']['' nNnN
TT
для
6][' nN
T
или
1]['' nN
T
для
6][' nN
T
.
Если
KP
0
, то тиристор
]['' nN
T
открывается при
K
0
,
где
0
- минимальный угол открывания, соответствующий временному
циклу программы ЭВМ (Тэвм),
K
- угол коммутации тиристоров.
5. Если
2E
, то на интервале [n] должны поочередно включаться три
тиристора.
Сначала при
0
1]1[][' nNnN
TT
для
6]1[ nN
T
или
1][' nN
T
для
6]1[ nN
T
.
Затем при
K
0
1][']['' nNnN
TT
для
6]1[' nN
T
или
1]['' nN
T
для
6]1[' nN
T
.
После этого при расчетном значении
KP
2
0
1][''][''' nNnN
TT
для
6]['' nN
T
или
1][''' nN
T
для
6]['' nN
T
.
Если
KP
2
0
, то тиристор
T
N '''
открывается при
K
2
0
.
Диаграмма работы одноканальной цифровой СИФУ, соответствующая
рассмотренным условиям, показана на рис. 6. Кружками изображены
тиристоры катодной группы К (Т1, Т3, Т5) и анодной группы А (Т2, Т4, Т6),
открываемые при естественной коммутации, когда
0
. При изменении
(
1
,
2
,
3
,
4
,
5
) происходит соответствующая выдержка открывания
тиристоров, которая определяется условием равенства заданного ЭВМ
уровня
и значением выходного числа счетчика в блоке БЗИ (номера
открываемых тиристоров заключены в скобки). Если при увеличении
значение
E
возрастает на 1, то на соответствующем интервале (
1
И
N
и
4
И
N
на рис. 6, а) не происходит включение очередного тиристора.
Напротив, при значительном снижении
, когда
E
уменьшается на 1, то на
очередном интервале (
0
И
N
и
2
И
N
на рис. 6, а) включаются поочередно
два тиристора. На рис. 6, б показаны диаграммы работы СИФУ при
увеличении
E
на 2 (интервалы 1, 2) и уменьшении
E
на 2 (интервал 0).
c
t
a
Å = 2
Å = 1
Å = 0
1
2
3
4
5
2
Ê
À
N è
5 0 1 2 3 4 5 0 1 2
3
Ò 6
Ò 1
Ò 2 Ò 4
Ò 3
Ò 5
(
Ò
2
)
(
Ò
3
)
(
Ò
4
)
3
(
Ò
5
)
(
Ò
6
)
(
Ò
1
)
4
(
Ò
2
)
(
Ò
3
)
Ò ï
Ò ý â ì
à )
a
Å = 2
Å = 1
Å = 0
1
2
3
Ê
À
N è
5 0 1 2 3 4 5 0 1 2
3
Ò 6
Ò 1
Ò 2 Ò 4
Ò 3
Ò 5
(
Ò
2
)
(
Ò
3
)
(
Ò
4
)
2
(
Ò
5
)
(
Ò
6
)
(
Ò
1
)
Ò ï
Ò ý â ì
á )
ê
(
Ò
2
)
(
Ò
3
)
c
t
c
t
c
t
c
t
c
t
Рис. 6
Расчет значений
,
E
,
Т
N
и проверка условий выполняются
программно ЭВМ на каждом интервале проводимости, начиная с моментов