ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Шишкін Михайло Анатолійович
УДК 621.314.26
ТИРИСТОРНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ЧАСТОТИ
З МІКРОПРОЦЕСОРНОЮ СИСТЕМОЮ УПРАВЛІННЯ
ПРОГНОЗНОГО ТИПУ
Спеціальність: 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Х а р к і в - 1 9 9 8
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі «Промислова електроніка» Харківського державного політехнічного університету.
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор
Сокол Євген Іванович,
Харківський державний політехнічний університет,
зав. кафедрою «Промислова електроніка»
Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор
Щерба Анатолій Андрійович,
Інститут Електродинаміки НАН України (м. Київ),
зав. відділом.
- кандидат технічних наук,
ведучий науковий співробітник,
Петрик Євген Борисович,
НДІ ВО «ХЕМЗ» (м. Харків).
Провідна організація - Національний технічний університет України (Київський Політехнічний інститут)
Захист відбудеться 25 лютого 1999 р. о 16 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою:
310002, Харків - 2, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий « 22 » січня 1999 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Осічев О.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Пристрої перетворювальної техніки в останній час знаходять все більше застосування в багатьох галузях промисловості, а саме в енергетиці, на транспорті та металургії.
При цьому все більша увага приділяється мікропроцесорним системам управління (МПСУ), які дозволяють реалізовувати складні алгоритми управління, а також здійснювати поточну апаратну та функціональну діагностику перетворювачів.
Не дивлячись на бурхливий розвиток мікропроцесорної техніки та широке використання її для управління різноманітними об’єктами, питання розвитку МП управління напівпровідниковими перетворювачами електроенергії (НПЕ) залишаються актуальними. Пояснюється це явище тим, що перед розробниками МПСУ постійно виникають нові задачі, які обумовлені, з одного боку, ускладненням алгоритмів управління, необхідних для реалізації технологічних процесів на сучасному рівні, а з другого боку - постійно зростаючими вимогами до енергетичних показників напівпровідникових перетворювачів.
Однак, застосування мікропроцесорних систем управління в пристроях перетворювальної техніки в нашій державі ще не достатнє, а мікропроцесорні системи управління, що використовуються зараз, в більшості випадків копіюють відомі аналогові системи управління на цифровому рівні.
Мікропроцесорне управління НПЕ по багаторазово розрахованим прогнозам є якісно новим рішенням реалізації мікропроцесорних систем управління, що дозволяють запобігти затримки в управлінні, неминучої при реалізації традиційних мікропроцесорних систем управління і тим самим підвищити динамічні показники перетворювачів.
Оскільки тиристорні перетворювачі частоти як об’єкт автоматичного регулювання є пристроями, який потребує від МПСУ високої якості регулювання та підвищеної швидкодії, то уявляється доцільним використання для них мікропроцесорної системи прогнозного типу.
Зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами
Науково-дослідницька робота за темою дисертації проводилась у відповідності з програмою Держкомітету України з питань науки та технології
05.51.02/069-92 «Інтелектуальне мікропроцесорне керування напівпровідниковими перетворювачами електроенергії»,
а також тематиками Міністерства Освіти України:
М7805 «Розробка та дослідження методів підвищення швидкодії мікропроцесорних контролерів для систем управління напівпровідниковими перетворювачами»,
М7806 «Спеціалізовані мікропроцесорні пристрої підвищеної швидкодії для управління напівпровідниковими перетворювачами електроенергії».
Мета та задачі дослідження. Поліпшення динамічних характеристик напівпровідникових перетворювачів з мікропроцесорними системами управління прогнозного типу.
Поставлена мета вимагає рішення таких задач:
-
уточнення алгоритмів прогнозного формування кута випередження інвертору струму, що забезпечить можливість їх практичного використовування у МПСУ прогнозного типа ;
- урахування ефекту неповної керуємості випрямляча при сумісному управлінні тиристорним перетворювачем частоти, що дозволяє підвищити якість його регулювання в перехідних режимах;
- створення апаратних приладів, які дозволяють підвищити швидкодію виконання управляючого алгоритму в мікропроцесорних системах управління прогнозного типу;
- створення аналого-цифрових перетворювачів, які дозволяють зменшити затримки в трактах перетворення змінних стану;
- перевірка отриманих програмних та схемних рішень на математичних та фізичних моделях.
Об’єктом дослідження є тиристорний перетворювач частоти (ТПЧ) з підвищеною частотою вихідної напруги з мікропроцесорною системою управління прогнозного типу.
При дослідженнях використовувалися математичний апарат z-перетворення, операторно-рекурентный метод, математичне моделювання проведено з використанням алгоритмічних мов високого та низького рівня на персональній ЕОМ, фізичне моделювання проведено за допомогою розроблених автором МПСУ та фізичної моделі ТПЧ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:
-
удосконалено алгоритм прогнозного формування кута випередження автономного інвертора струму у складі ТПЧ,
- вперше проведено урахування ефекту неповної керуємості випрямляча при формуванні сумісного управління тиристорним перетворювачем частоти,
- розроблено принципово новий швидкодіючий обчислювач для зменшення часу виконання управляючого алгоритму в МПСУ прогнозного типу,
- вперше розроблено схеми принципово нових аналого-цифрових перетворювачів для перетворення сигналів змінних стану.
Практичне значення одержаних результатів є в тому, що була розроблена схема МПСУ та уточнені управляючі алгоритми для сумісного управління тиристорним перетворювачем частоти, а також розроблені принципово нові схеми швидкодіючого обчислювача та аналого-цифрових перетворювачів для зменшення часу виконання управляючих алгоритмів, що впливає на якість управління при застосуванні МПСУ прогнозного типу.
Особистий внесок здобувача.
1.
Зроблено перехід до нових змінних стану при реалізації прогнозного алгоритму управління автономним інвертором струму.
1.
Враховано вплив ефекту неповної керуємості випрямляча при формуванні параметрів сумісного управління тиристорним перетворювачем частоти.
1.
Створено алгоритм сумісного управління тиристорним перетворювачем частоти.
1.
Розроблений та протестований апаратний обчислювач, який підвищує швидкодію МПСУ прогнозного типу, та аналого-цифрові перетворювачі для обробки сигналів в трактах опитування змінних стану МПСУ прогнозного типа.
1.
Розроблені математичні та фізичні моделі для підтвердження запропонованих теоретичних та технічних рішень.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення та результати дисертаційної роботи докладалися та обговорювалися на таких конференціях: «Силова електроніка в рішенні проблем ресурсо- та енергозбереження» РЕС-93, Харків 1993 р.; «Проблеми автоматизованого електроприводу», м. Харків, 1994 р.; MicroCAD’95, Харків, 1995 р.; MicroCAD’96, Харків, 1996 р.; «Силова електроніка в рішенні проблем ресурсо- та енергозбереження» РЕС-96, Харків 1996; «Unconventional Electromechanical and Electrical Systems» UEES’97, Алушта, Крим, Україна, «Силовая электроника и энергоэффективность» СЭЭ’98, Алушта, Крим, Україна, 1998.
Теоретичні та експеріментальні результати дисертаційної роботи використовувались при розробці високочастотного перетворювача із ланкою постійного струму потужністю 200 кВт для пристрою індукційного нагріву ИЗ7-200/8 у НДІ ВО «ХЕМЗ», м. Харків.
Також теоретичні результати роботи використовуються при виконанні наукових досліджень і в учбовому процесі в Харківському державному політехнічному університеті в курсах «Мікропроцесорна техніка» та «Автоматичне регулювання перетворювачів», які викладаються для студентів спеціальності «Промислова електроніка» в ХДПУ.
Публікації
Основні результати роботи відображені в 12 друкованих працях, 11 - із співавторами, 1- особисто.
Структура дисертації.
Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів та висновку, викладених на 138 сторінках машинописного тексту, 46 малюнків, 4 таблиць, списку літератури з 104 найменувань та 4 доповнень.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульована мета та задачі досліджень. Викладено основні наукові та практичні результати, які отримані в роботі, основні положення, що виносяться на захист.
В першому розділі розглянуті основні методи аналізу та синтезу напівпровідникових перетворювачів та загальні принципи створення мікропроцесорних систем управління ними. Проведений аналіз показав, що прогнозні системи, які відносяться до систем прямого мікропроцесорного управління, дозволяють досягти значного поліпшення якості регулювання напівпровідникових перетворювачів та реалізовувати процеси, які значно важче реалізувати іншими системами автоматичного регулювання. В системах, які працюють за таким принципом, відсутні регулятори із звичною структурою. Основну роль грає математична модель об’єкту, занесена в МПСУ, що може прогнозувати зміну координат стану напівпровідникового перетворювача на поточному інтервалі дискретності, при цьому може бути використана прогнозуюча модель, яка працює в реальному масштабі часу з однократним чи багатократним прогнозом.
В системі з прогнозуванням в реальному масштабі часу з однократним прогнозом математична модель здійснює "розгортку" змін координат стану напівпровідникового перетворювача, які повинні бути на черговому інтервалі провідності при умові, що до кінця інтервалу усі координати будуть мати задане значення. Такий прогноз відбувається на кожному інтервалі провідності на підставі інформації про задані значення координат стану перетворювача та поточних значеннях фази та амплітуди напруги мережі, яка живить перетворювач. Під час "розгортки" значення координат, які прогнозуються, безперервно зрівнюються з поточними їх значеннями, та при повному збіганні порівнюваних значень виробляється сигнал на відкривання чергового ключового елементу об’єкту регулювання. Якщо модель адекватна об’єкту, координати стану на черговому інтервалі будуть відповідати тим, що прогнозуються, так як вони починалися при тих же умовах.
В системі з багатократним прогнозуванням математична модель здійснює "розгортку" координат стану перетворювача, які мали бути на прикінці такту роботи перетворювача при умові, що черговий ключовий елемент відкривається у момент початку прогнозу. В цьому випадку зміни координат стану, що прогнозуються, розраховуються багатократно за поточний інтервал і прогноз здійснюється кожний раз при нових початкових значеннях координат стану перетворювача. Результати кожного прогнозу зрівнюються з заданими значеннями координат і якщо зрівняння показує, що значення, які прогнозуються, в межах нормованої точності рівні заданим, виробляється сигнал на відкривання чергового ключового елементу напівпровідникового перетворювача. При такому принципі управління реальне значення координати, що контролюється, на черговому інтервалі провідності буде відповідати заданому з точністю, яка визначається точністю математичної моделі об’єкту та кількістю обчислень, що робляться.
Обмежена швидкість обробки даних в існуючих мікропроцесорах та здійснення НПЕ з високими динамічними характеристиками суперечує законам регулювання, що постійно ускладнюються, та все більш підвищеною алгоритмічною складністю інформаційної частини ППЕ. Це робить актуальною задачу підвищення швидкодії МПСУ прогнозного типа.
У другому розділі розглянуті особливості ТПЧ як об’єкту мікропроцесорного управління. Показано, що реалізація перехідних процесів за мінімальний час можлива при сумісному управлінні тиристорним перетворювачем частоти по куту випередження та керованого випрямляча по куту управління . При цьому відпрацювання стрибка навантаження в початковий момент часу робиться по куту , а після того перехід з одного стаціонарного стану в другий здійснюється шляхом зміни напруги випрямляча по куту та продовження регулювання кута з метою підтримки вихідної напруги ТПЧ на заданому рівні. Загальна структурна схема мікропроцесорної системи управління ТПЧ з МПСУ прогнозного типу приведена на рис.1.
Для регулювання автономного інвертора струму, як найбільш динамічної ланки ТПЧ, був використаний прогнозний алгоритм формування кута випереджання , який дозволяє на підставі багатократного розрахунку за інтервал дискретності перетворювача, в відповідності з поточними значеннями змінних стану, одержати прогноз кута випередження, що очікується, та в залежності від відповідності цього прогнозу заданому значенню кута видати команду на виконання чергової комутації силових ключів автономного інвертору струму (АІС) або відмовитися від такої команди до одержання наступного прогнозу. Розрахунок кута випередження виконується на підставі моделі інвертора, записаної в МПСУ.
В розроблених раніш моделях для реалізації прогнозного формування використовувались змінні стану u2, i2, iL, які уявляють собою напругу та струм в навантаженні та струм в індуктивності навантаження.
Рис.1.
В дисертації здійснено уточнення моделі АІС, бо для реальних МПСУ одержання значення змінної стану iL фізично не реалізуєме у зв’язку з тим, що параметри R та L навантаження є розподіленими параметрами індуктору.
При цьому, доцільно перейти до другої змінної стану - загальному струму індуктора iRL . Обчислення робиться за один інтервал дискретності, який збігається з часовим виразом кута інвертування :
. (1)
Вважаючи, що за перший такт тривалістю Т = напруга u2 досягне нульового значення, можливо визначити шукане значення Т = :
(2)
Де i2[0], iRL[0], u2[0] - миттєві значення струму навантаження, загального струму індуктору та напруги навантаження спочатку кожного такту відповідно.
Похибка при відпрацюванні заданого значення ЗАД по формулі (2) не перевищує десятих часток градуса, що взагалі припустимо для більшості інженерних застосувань.
Задане значення часу проходження напруги U2 через нуль після комутації ключів пропорційно заданому значенню кута інвертування ЗАД з урахуванням зміни частоти вихідної напруги АІС:
. (3)
Мікропроцесорна система управління після досягнення вихідною напругою максимуму починає циклічне опитування змінних стану та обчислення згідно з формулою (2) до моменту, коли поточне значення постійно обчислюваємого стане рівним заданому ЗАД, що розраховується по формулі (3). При досягненні рівності виробляється сигнал на переключення ключів інвертору струму.
Вищеописана уточнена модель АІС була використана в розробленому алгоритмі сумісного управління ТПЧ.
Він полягає в наступному. При формуванні перехідного процесу виконується вивід напруги випрямляча на обмеження (верхнє або нижнє, у залежності від напрямку стрибка U2) та подальша підтримка його на цьому обмеженні до скінчення перехідного процесу. При цьому виконується максимально швидка зміна i(t) до нового постійного режиму. Таким чином, спочатку треба дати максимальні рівні Emax та xmin, щоб як можна швидче форсувати процес зміни U2(t), а коли U2(t) стане рівним U2К, стрибком змінити х(t) для підтримання U2(t) = U2К, після чого підтримувати Еmax, форсуючи , поки струм не дійде до iК, а при досягненні i=iК знизити Е(t) до поточного рівня U1. При цьому необхідно ураховувати неможливість відпрацювання керуємим випрямлячем миттєвого стрибка вниз, що обумовлено тим, що вихідна напруга керованого випрямляча буде спадати по фазній синусоїді до вмикання чергових вентилів випрямляча. Відповідно цьому, встановлення нового діючого значення напруги випрямляча буде займати певний інтервал часу. (Рис.2)
При роботі на підвищеній частоті АІС цей процес може зайняти декілька періодів вихідної напруги інвертора, що суттєво.
В роботі було зроблено урахування неповної керуємості випрямляча при формуванні сумісного управління ТПЧ.
Розглянуто два способи формування перехідного процесу: з формуванням лінійної зміни струму та з формуванням лінійної зміни кута випередження АІС - .
Аналіз ефекту неповної керуємості випрямляча при сумісному управлінні ТПЧ показав, що час перехідного процесу збільшується на величину , пропорційну інтервалу між початковим та кінцевим значеннями кутів управління . При цьому необхідна корекція темпів зміни регулюємих параметрів. В першому випадку це темпи зміни U1 та I, в другому випадку - .
Діаграми, які пояснюють другий спосіб формування перехідного, процесу приведені на рис.2.
Рис.2.
Розрахункові відношення (4)-(7) дозволяють провести сумісне управління ТПЧ.
, , (4)
, (5)
, , (6)
(7)
Другий спосіб реалізації є кращим, оскільки на інтервалі перехідного процесу не потрібно регулювання Еd, а тільки два переключення (в Еmax або Emin відповідно знаку стрибка U2, та в ЕК).
Був розроблений повний алгоритм сумісного управління ТПЧ, на принципі, що описаний вище, та з урахуванням уточненої моделі АІС та ефекту неповної керуємості випрямляча.
Третій розділ присвячено розробці апаратних пристроїв, які дозволяють підвищити швидкодію МПСУ прогнозного типу, так як реалізація запропонованих у другому розділі алгоритмів потребує від мікропроцесорної системи управління, яка діє по прогнозу, максимально можливого підвищення продуктивності обчислювального блоку разом з мінімізацією затримок в трактах передачі та перетворення сигналів змінних стану.
В основі швидкодії цих пристроїв лежить практична миттєвість виконання операції з аналоговими сигналами. Таким чином, кожний розряд вхідного цифрового коду перетворюється в аналоговий сигнал, в результаті цього вхідний цифровий код приймає вигляд сукупності аналогових сигналів, які зберігають структуру цифрового. Далі порозрядно йде процес формування проміжних сум, виділення з них розрядних сигналів та сигналів переносу. Після чого формується вихідна сукупність розрядних аналогових сигналів, які в вихідних каскадах перетворюються у рівень потрібної логіки.
Були розроблені пристрої для проведення операцій підсумовування та множення.
Були також розроблені пристрої для тих самих операцій у троїчному симетричному коді, оскільки троїчне симетричне кодування дозволяє додатково підвищити швидкодію обчислення за рахунок меншого числа розрядів при рівних об’ємах цифрової інформації в порівнянні з двоїчною, та однотипного представлення позитивних та негативних чисел, тобто, відсутності знакового розряду та перетворення в додатковий код.
На базі цих пристроїв було розроблено швидкодіючий апаратний обчислювач, який представлений на рис.3. Він складається з двох помножувачів та суматора. Крім того, в нього входять буферні регістри, мультіплексори та схема управління, що призначена для задання режимів роботи та стиковки з мікропроцесорною системою управління. Даний пристрій дозволяє обчислювати вирази, складені з сум, сум добутків, та квадратів чисел.
Швидкодія МПСУ прогнозного типу також залежить від швидкості перетворення сигналів в каналах опитування змінних стану об’єкту. Були запропоновані пристрої для аналого-цифрового перетворення, які працюють у двоїчному та троїчному цифрових кодах. На рис.4 подана функціональна схема АЦП в двоїчний цифровий код.
Вона містить в себе подільник опорної напруги, каскади зважування кількістю, рівної кількості разрядів, які складаються з аналогових суматорів, компараторів та аналогових ключів, блок перетворення для роботи з негативними сигналами та вихідні каскади, як і в пристроях для помноження та підсумовування. Перетворення йде з аналоговими сигналами, а перетворення в вихідний цифровий код виконується тільки в вихідних каскадах, чим і пояснюється висока швидкодія.
Встановлення вихідного цифрового коду буде обумовлюватися тільки затримками у внутрішніх аналогових елементах. Дані пристрої дозволили досягти швидкості перетворення як у АЦП зчитування при кількості каскадів зважування, як у АЦП порозрядного урівноваження.
Запропоновані пристрої дозволили зменшити час виконання управляючого алгоритму в 2,5 рази. Загальний час виконання рівний 13 мкс. Це розширило використання МПСУ прогнозного типу для ТПЧ з вихідною частотою до 1000 Гц.
Рис.3.
Рис.4.
В четвертому розділі була проведена перевірка запропонованих теоретичних висновків, програмних та апаратних рішень. Алгоритм сумісного управління ТПЧ був перевірений на математичній моделі за допомогою метода Рунге-Кутта четвертого порядку з постійним кроком інтегрування. Результати математичного моделювання показали, що при реалізації даного алгоритму сумісного управління нове значення U2 встановлюється за 1 -2 такти роботи інвертора при діапазоні регулювання інвертора 30 - 60 ел. град. (Рис.5.)
Рис.5.
Для фізичного моделювання була розроблена МПСУ, яка конструктивно виконана на базі процесорного блока 80286, та аналого-дискретна модель тиристорного перетворювача частоти. Структурна схема МПСУ подана на рис. 6.
Тестування апаратного обчислювача проводилось програмним чином на основі лічіння інтервалу часу між встановленням коду вхідних цифрових даних та прийомом результату. При цьому, приймаючи до уваги існування комбінацій, які відповідають мінімальному та максимальному часу обчислення в суматорі та помножувачах, визначався час обчислення з нульовою помилкою при всіх комбінаціях вхідних сигналів.
Були розроблені тестові програми для перевірки швидкодії та точності обчислення при послідовному переборі вхідних цифрових сигналів та при випадковому виборі вхідних цифрових сигналів.
Рис.6.
Результати тестів показали, що час обчислення виразів A*B+C*D є не більшим, ніж 9,6 мкс. при всіяких комбінаціях вхідних сигналів з урахуванням часу запису та зчитування при макетуванні обчислювача на дискретних елементах та використанням персонального компьютеру РС286.
При цьому час виконання операцій множення був не більше 5.7 мкс, а час виконання операцій складання - не більше 3,6 мкс для всіяких комбінацій вхідних даних.
Виконання запропонованого апаратного обчислювача в інтегральному варіанті дозволить досягти значного підвищення швидкодії цього пристрою та досягнути, орієнтовно, швидкості обчислення до десятків наносекунд.
ВИСНОВКИ
Виконана робота представляє собою рішення комплексу задач, які мають наукове та практичне значення.
1.
Проведено уточнення моделі та алгоритмів при прогнозному управлінні автономного інвертора струму по куту випередження з метою урахування неможливості одержання перемінної стану iL та переходу до другої перемінної стану - загальному струму індуктора, що забезпечило можливість практичного використовування у МПСУ прогнозного типа.
1.
Проведено урахування ефекту неповної керуємості випрямляча при формуванні сумісного управління ТПЧ, що дозволило уникнути неточності при розрахунках параметрів управління та запобігти коливань вихідної напруги ТПЧ наприкінці перехідного процесу.
1.
Розроблені нові пристрої, що дозволили проводити підсумовування та перемноження в двоїчному, та в троїчному симетричному коді з часом виконання операцій не більш 5,7 та 3,6 мкс відповідно при виконанні макетів пристроїв на дискретних елементах.
1.
Розроблена схема спеціалізованого апаратного обчислювача для мікропроцесорної системи, яка реалізує прогнозний алгоритм управління. Застосування обчислювача, зробленого на дискретних елементах, в МПСУ на базі РС80286 дозволило зменшити час виконання управляючого алгоритму в 2,5 раза і тим самим розширити межі використання МПСУ прогнозного типа для ТПЧ з вихідною частотою до 1000 Гц. Виконання апаратного обчислювача в інтегральному виконанні та використання процесорного блоку вищого класу дозволить ще більше зменшити час виконання управляючого алгоритму прогнозного типу.
1.
Розроблені нові рішення для реалізації аналого-цифрового перетворення, що дало можливість добитися швидкодії АЦП як у АЦП зчитування при складності схеми як у АЦП порозрядного урівноваження.
1.
Результати запропонованих рішень підтверджено математичним моделюванням на ЕОМ та фізичним моделюванням за допомогою розробленої МПСУ на базі процесору 80286 та фізичної моделі ТПЧ.
ОСНОВНІ ПУБЛИКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Сокол Е.И., Шишкин М.А. Повышение быстродействия микропроцессорных систем управления прогнозного типа // Техн. електродинаміка - 1998. - С.в. № 2 Т.1. - С. 156 - 161.
2. Сокол Е.И., Шишкин М.А. Уточненный алгоритм прогнозного управления тиристорным преобразователем частоты // Техн. електродинаміка - 1998. - С.в. № 2. Т.1. - С. 162 - 165.
3. Домнин И.Ф., Шишкин М.А., Ластовка А.П. Аппаратные умножители в системах управления полупроводниковыми преобразователями. // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Силовая электроника в решении проблем ресурсо - и энергосбережения», Харьков, 1993 г., С.198-200.
4. Домнин И.Ф., Шишкин М.А., Лисачук Е.Г. Особенности построения устройств сопряжения с объектом в системах прогнозного управления полупроводниковыми преобразователями. // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Силовая электроника в решении проблем ресурсо - и энергосбережения», Харьков, 1993 г., С.201-202.
5. Шишкин М.А., Фетюхина Л.В., Ластовка А.П. Специализированный управляющий контроллер с арифметическим умножителем. // Межвуз. научн. сб. «Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода», г. Саратов, Саратовский политехнический институт, 1993., С.34-39.
6. Сокол Е.И., Шишкин М.А., Домнин И.Ф. Многоуровневое микропроцессорное управление тиристорными преобразователями частоты.// Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Мат. Международной научно-технической конференции. Харьков, 1995 г., С.20.
7. Сокол Е.И., Шишкин М.А. Улучшение динамических характеристик преобразователей частоты.// Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Мат. Международной научно-технической конференции. Харьков, 1996 г., С.98.
8. Сокол Е.И., Шишкин М.А., Хариси Хассан. Использование IBM PC для управления тиристорными преобразователями частоты по прогнозу в реальном масштабе времени. // Труды международной конференции "Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения", 1996 г., С.108-109.
9. Домнин И.Ф., Шишкин М.А., Севрюков О.В. Контроль и диагностирование автономного инвертора тока, управляемого системой прогнозного типа.// Труды конференции с международным участием «Проблемы автоматизированного электропривода», 1995 г., С.203-205.
10. Шишкин М.А. Использование устройств, работающих в троичном симметричном коде, для реализации быстродействующих микропроцессорных систем управления полупроводниковыми преобразователями. // Proc. International Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES’97. - Alushta (Ukraine). - 1997. - P.687-692.
11. Шипилло В.П, Ерисова В.В., Дрейслер С.И., Шишкин М.А. Устройство для фазового управления автономным инвертором тока с самовозбуждением. А.с. №1534699 от 8.09.89.
12. Сокол Е.И., Шишкин М.А. Аналого-цифровой преобразователь. Заявка на изобретение №96114418/К/02/3675 от 26.11.96.
Особистий внесок автора в основних публікаціях, які надруковані у співавторстві, складається у такому: запропоновані робочі алгоритми та тестові програми [2,3,5,6,8], вирішені питання підвищення точності прогнозного алгоритму управління автономним інвертором струму [1,7] та методи його моделювання [9], запропоновані принципи побудови та оптимізації УСО [4], розроблена МПСУ [8], розроблено структурні та електричні принципові схеми [11], розроблено патентний пошук, структурні схеми та проведена оцінка швидкодії [12].
АНОТАЦІЇ
Шишкін М.А. Тиристорний перетворювач частоти з мікропроцесорною системою управління прогнозного типу. Дисертація в виді рукопису на одержання вченого степеню кандидата технічних наук по спеціальності 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. Харківський державний політехнічний університет, м. Харків, 1998.
Захищається 12 робіт, які містять розробки, що дозволяють поліпшити динамічні характеристики напівпровідникових перетворювачів за рахунок уточнення та оптимізації алгоритмів прогнозного управління та підвищення швидкодії мікропроцесорних систем управління прогнозного типа шляхом використовування швидкодіючих апаратних пристроїв.
Ключові слова: тиристорний перетворювач частоти, мікропроцесорна система управління прогнозного типу, алгоритм, апаратний обчислювач.
Shishkin M.A. Thyristor frequency converter with microprocessor control system of prognosis type. Thesis for candidate of sciences degree by speciality 05.09.12 - semiconductor converters of electric energy. - Kharkov state polytechnical university, Kharkov, 1998.
Submitted 12 works, which contain developments, allowing to improve characteristics of semiconductor converters at the expense of specification and optimization of algorithms of prognosis control and increase of quickness of microprocessor control systems of prognosis type by application of fast-acting hardware.
First chapter deals with major methods of analysis and synthesis of semiconductor converters and basic principles of design of their microprocessor control systems. The study shows that prognosis control systems, which belong to systems of direct microprocessor control, allow to improve significantly the regulation quality of semiconductor converters and to realize some processes which can not be realized by any other control systems.
Second chapter considers features of thyristor frequency converter as an object of microprocessor control. Shown, that realization of transient processes within minimum time is possible at mutual control of thyristor frequency converter by advance angle and controlled rectifier by firing angle . In this case the initial response takes place in channel and then a transition from one steady state to another is realized by change of controlled rectifier voltage in channel and continuous regulation of with the purpose of keeping output voltage of thyristor frequency converter unchanged.
For regulation of autonomous current-source inverter, as the most dynamic circuit of thyristor frequency converter, a prognosis algorithm of formation of advance angle is used, which allows on a base of multiple calculations during one interval of discretity and instant values of state variables to obtain the prognosis of expected advance angle and, depending on correspondence of the prognosis to assigned value of , to sent a command for the next commutation of power switches of autonomous current-source inverter or to deny such command until next prognosis. Calculation of expected advance angle is realized with the help of a model of the autonomous current-source inverter, written in the microprocessor control system.
Third chapter is devoted to design of hardware which allows to increase the quickness of the prognosis microprocessor control system, because the realization of the algorithms, developed in the second chapter, requires maximum possible productivity of a calculation block and reduction of delays in channels of transmission and conversion of state variables signals.
The quickness of such devices is based on practically instant time of realization of operations with analog signals. Devices for addition and multiplication of numbers in binary and triadic symmetrical codes were developed as well as the calculation block. Besides that, A/D converters based on the same principle were developed.
Fourth chapter contains check of offered software and hardware solutions. For physical simulation the microprocessor control system on a base of processor block 80286 and analog-discrete model of thyristor frequency converter were developed. Testing of the calculation block was done by program means by calculation of time interval between setting of code of input digital data and receiving of result.
The dissertation allowed to obtain the following results :
Modification of the model and algorithms were done at prognosis control of autonomous current-source inverter by advance angle with the purpose of considering of impossibility to obtain state variable iL and transition to another state variable - the common current of inductor, which provided the possibility of practical application of prognosis microprocessor control system.
The consideration of an effect of incomplete controllability of the rectifier at formation of mutual control of the thyristor frequency converter was done, which allowed to avoid errors at calculation of parameters of control and changes of output voltage of the thyristor frequency converter at the end of transient process.
The circuit of specialized hardware calculation block for microprocessor control system was developed, which realizes prognosis algorithm of control. Use of the calculation block has reduced duration of control algorithm in 2,5 times and expanded limits of application of prognosis microprocessor control systems for thyristor frequency converters with output frequency up to 1000 Hz. New solution were developed for realization of A/D conversion.
Key words: thyristor frequency converter, microprocessor control system of prognosis type, algorithm, hardware computer.
Шишкин М.А. Тиристорный преобразователь частоты с микропроцессорной системой управления прогнозного типа. Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1998.
Защищается 12 работ, которые содержат разработки, позволяющие улучшить динамические характеристики полупроводниковых преобразователей за счет уточнения и оптимизации алгоритмов прогнозного управления и повышения быстродействия микропроцессорных систем управления прогнозного типа путем применения быстродействующих аппаратных устройств.
Ключевые слова: тиристорный преобразователь частоты, микропроцессорная система управления прогнозного типа, алгоритм, аппаратный вычислитель.
