диплом (1230997), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

По результатам моделирования работы электровоза, оборудованного предлагаемым устройством с каналом КСН, следует, что потребляемый электровозом ток i синфазен с питающим напряжением u (φ=0°), форма этого тока i приближена к синусоидальной, ν=0,9953. Коэффициент мощности приближается к единичному значению, к_м =0,992, за счёт максимального увеличения cosφ=1 и ограничен только коэффициентом искажения синусоидальности потребляемого тока ν. Величина и форма выпрямленного напряжения u_d и тока нагрузки тяговых двигателей i_н полностью соответствуют u_d и i_н электровоза, оборудованного предлагаемым устройством с выпрямителем В.

Определим природу появления высокочастотных пульсаций в форме выпрямленного напряжения u_d при работе электровоза ЭП1 с углом регулирования α_р=90°. На основной частоте (50 Гц) общее сопротивление цепи компенсатора, состоящего из последовательно включённых конденсатора C и индуктивности L , имеет ёмкостной характер, т. к. . На выходе автономного инвертора напряжения АИН, соответственно, вторичной обмотке ВДТ формируется высокочастотное переменное импульсное напряжение. Из курса электротехники известно, что напряжение на конденсаторе мгновенно изменяться не может . Исходя из этого следует, что высшие гармонические составляющие напряжения вторичной обмотки ВДТ, прикладываются к цепи тяговых двигателей, а гармоника напряжения основной частоты (50 Гц) - к конденсатору C. Величина напряжения на конденсаторе определяется суммой напряжений I-II-III секций вторичной обмотки трансформатора Т_р и первой гармоники выходного напряжения ВДТ. Как следует из гармонического анализа этих напряжений, напряжение на конденсаторе электровоза с предлагаемым устройством имеет на 440 В большую амплитуду, что соответствует величине первой гармоники выходного напряжения ВДТ. Таким образом, возникающие высокочастотные пульсации в кривой выпрямленного напряжения u_d связаны с работой автономного инвертора напряжения.

Определим влияние высокочастотных пульсаций на форму потребляемого электровозом тока i. Разложим в гармонический ряд ток i электровоза ЭП1, работающий в штатном режиме, с пассивным фильтром и предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности с КСН. Использование предлагаемого устройства способствует улучшению формы потребляемого электровозом тока за счёт уменьшения токов третьей и пятой гармоник в 3,12 и в 1,51 раз по сравнению со штатной схемой. Значения высших (n>5) гармонических составляющих тока i электровоза, оборудованного пассивным компенсатором и предлагаемым устройством практически не отличаются. На основной частоте (50 Гц) использование рассматриваемого устройства приводит к снижению величины потребляемого тока в 1,1 раза.

Рассчитанные значения ν составили для электровоза со штатной схемой – 0,9768, с пассивным компенсатором – 0,9962 и с предлагаемым устройством с КСН – 0,9953. На основании полученных результатов следует, что с применением рассматриваемого устройства по сравнению со штатной схемой происходит улучшение формы потребляемого тока на 1,85%. Практически одинаковые значения коэффициента ν имеют электровозы с пассивным компенсатором и с предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности. Таким образом, высокочастотные пульсации, вызванные работой АИН, не влияют на форму потребляемого тока i. Полученные значения коэффициентов ν, для работы электровоза со штатной схемой и предлагаемым устройством КРМ свидетельствуют об улучшении энергетической эффективности работы электровоза и о целесообразности использования на нём предлагаемого устройства компенсации реактивной мощности.

В структуре системы управления устройством компенсации реактивной мощности необходимо сформировать сигнал, пропорциональный желаемой кривой потребляемого тока i* синфазный с питающим напряжением u. Действующее значение потребляемого тока определяется по формуле

.

Блок-схема устройства вычисления заданного тока (УВЗТ) i*(t)=i(t) разработана в соответствии с методиками, рассмотренными в работах, и приведена на рисунке 2.4.7.

Рисунок 2.4.7 - Блок-схема устройства формирования заданного тока i*.

На вход устройства вычисления заданного тока поступают сигналы текущих значений питающего напряжения u и потребляемого электровозом тока i, а на его выходе генерируется ток i* пропорциональный желаемому. С помощью блоков 1-3 вычисляется величина активной мощности P, потребляемой электровозом за один период сетевого напряжения. Устройство выборки-хранения (блок 3) позволяет сохранить величину P в конце периода питающего напряжения, полученную в результате интегрирования с выхода блока 2. При помощи блоков 4-6 вычисляется действующее значение напряжения на токоприёмнике электровоза U за один период сетевого напряжения. В результате операции деления P и U на выходе блока 7 формируется заданное значение тока i*, совпадающего по фазе с питающим напряжением u.

Рассмотрим принцип работы разработанной системы управления компенсатора. Текущие значения сетевого напряжения u и потребляемого тока i поступают в устройства выборки-хранения УВХ1 и УВХ2 с датчиков напряжения ДН1 и тока ДТ1, соответственно. Сигналы с УВХ1 и УВХ2 передаются в микроконтроллер PIC1, который вычисляет заданное значение тока i* в соответствии с (2.2.3). Рассчитанное значение заданного тока i* поступает в цифроаналоговый преобразователь ЦАП, на выходе которого формируется сигнал напряжения ki*, пропорциональный заданному значению тока i*. С помощью первого сумматора СУМ1 и второго элемента сравнения ЭС2 осуществляется сложение и вычитание соответствующих сигналов токов. Величина модулирующего напряжения u_м формируется в результате сложения (СУМ2) сигналов с выхода элемента сравнения ЭС2 и u_КСН, поступающего с модуля КСН. В микроконтроллере PIC2 согласно методу широтно-импульсной модуляции генерируются импульсы управления, обеспечивающие заданный алгоритм работы автономного инвертора напряжения АИН. Алгоритм программы формирования импульсов управления микроконтроллером PIC2 приведён на рисунке 2.4. 8. Общая синхронизация работы системы управления компенсатором осуществляется от блока синхронизирующих импульсов БСИ.

Алгоритм составлен в соответствии с формулами (2.3.1). В блоках 1 и 2 осуществляется настройка портов микроконтроллера и назначение переменных U_ГПН, U_м1, U_м2. В блоке 3 выполняется аналогово-цифровое преобразование в результате которого определяются амплитудные значения модулирующих напряжений U_м1 и U_м2. После окончания операции в 4-ом блоке в памяти микроконтроллера напряжения U_м1 и U_м2 сохраняются как две синусоидальные кривые. В блоках 5 и 6 осуществляется сравнение текущих значений напряжений U_ГПН и U_м1, U_м2. В зависимости от их соотношений происходит ветвление алгоритма, так при отрицательном результате сравнения в блоке 5, блок 7 формирует сигнал высокого уровня VS2=1, подаваемый на транзистор 2 АИН и снятия импульса с транзистора 1 (VS1=0). После этого осуществляется сравнение сигналов в блоке 6 в результате которого импульсы управления подаются на транзистор 3 (VS3=1) или на четвёртый транзистор (VS4=1). Таким образом, в соответствии с алгоритмом в работе автономного инвертора напряжения всегда оказываются два из четырёх транзисторов.

Программирование микроконтроллера системы управления КРМ происходит по алгоритму, представленному на рисунке 2.4.8, преобразование аналоговых переменных U_м1, U_м2, поступающих на порты МК, выполняется встроенным модулем АЦП микроконтроллера (3 блок на рисунке). Формирование синусоидальных сигналов осуществляется при помощи функции сравнения ССР - модуля МК (4 блок на рисунке).

Рисунок 2.4.8 - Алгоритм программы формирования импульсов управления АИН по методу широтно-импульсной модуляции.

Для обеспечения работы системы управления необходимо выполнять объемные математические вычисления, для решения которых требуется использование микроконтроллера. В этом случае я использовал МК PIC18F452. Выбор МК обуславливается следующими факторами: технические параметры, лицензионная чистота программного обеспечения, удобство в обслуживании. Технические параметры выбираемого МК должны обеспечивать выполнение требований задания на разработку. Для различных условий внешней среды существуют МК с расширенным диапазоном температур -40...+ 125°С. Если требуется быстрая реакция на внешнее воздействие или прогнозируются сложные математические расчёты, то понадобится высокоскоростной МК с разрядностью 16 или 32 бита. Если проектируется миниатюрное изделие с батарейным питанием, то лучше применить микромощный МК в компактном SMD-корпусе, способный работать при пониженном напряжении и малой тактовой частоте.

Рассмотрим общие характеристики микроконтроллера.

Высокопроизводительный RISC-процессор:

- оптимизация архитектуры и инструкций для С компилятора;

- совместимость кода с семейством PIC16CXXX;

- объем энергонезависимой памяти данных 256 байт;

- быстродействие до 10MIPs;

- 16 битовые команды;

- 8 - битовые данные;

- система приоритетов прерываний;

- 31-уровневый программно настраиваемый аппаратный стек;

- аппаратное умножение 8x8 за один цикл.

Периферия:

- 3 входа внешних прерываний;

- сильноточные схемы портов ввода/вывода:

а) 25 мА макс. вытек. ток;

б) 25 мА макс. втек. ток;

- timer0: 8-разрядный таймер/счетчик;

- timer1: 16-разрядный таймер/счетчик;

- timer2: 16-разрядный таймер/счетчик;

- timer3: 16-разрядный таймер/счетчик;

- второй вход тактовой частоты, для режима пониженого энергопотребления;

- 2 ШИМ модуля;

- последовательные интерфейсы:

-3-проводный SPI;

-I2C Master и Slave режимы;

-USART (поддержка адреса);

- параллельный Slave порт;

- 10-битный АЦП, с возможностью преобразования в SLEEP режиме;

- программируемый 16-ти уровневый детектор пониженного напряжения (LVD);

Особенности микроконтроллера:

- сброс при включении питания (POR);

- таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST);

- сброс по снижению напряжения питания (BOR);

- сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы;

- режим экономии энергии (SLEEP);

- выбор источника тактового сигнала;

- программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов);

- отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов);

- программируемая защита кода;

- возможность самопрограммирования;

- 1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы;

- 100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ;

- период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет;

- время программирования 1 секунда;

Следуя алгоритму на рисунке 2.4.8, был написан программный код для МК PIC18F452. В программе Proteus 7.9 SP1(Программа предназначена для моделирования работы электрических схем, включающих микроконтроллеры, а также предусмотрена возможность разводки печатных плат) было выполнено моделирование работы микроконтроллера. Результаты моделирования приведены на рисунках. На рисунке 2.4.9. представлен результат формирования синусоидальных сигналов МК(4 блок алгоритма) с амплитудой в 2,49В. А на рисунке 2.4.11. формируется диаграмма импульсов управления транзисторами соответствующая амплитуде модулирующего напряжения в 2,49В. Аналогично построены и рисунках 2.4.10. и 2.4.12., только при амплитуде модулирующего напряжения равной 4,5В. На рисунках 2.4.13. и 2.4.14. показано соответствие сигналов напряжений (моделирующее и несущее) с сигналом работы транзисторов в зависимости от результата сравнения напряжений U_м1, U_м2 и U_ГПН (5 и 6 блоки алгоритма) при амплитуде напряжения в 2,49В и 4,5В соответственно.

Рисунок 2.4.9.

Характеристики

Список файлов ВКР