Система регулирования частоты

Как было показано в предыдущем параграфе, в тяговом электроприводе с АТД по каналу регулирования частоты статора /, необходимо поддерживать заданное значение абсолютного скольжения /₂. При этом частота может быть постоянной или изменяться в зависимости от фактических значений скорости и напряжения на двигателе.

Задание текущего значения частоты в системе управления преобразователем может быть осуществлено как с использованием датчика скорости (частоты вращения /_вр), так и без такового. В последнем случае текущее значение определяется по сигналам, поступающим от датчиков напряжения и тока асинхронного двигателя с последующей их обработкой вычислительными устройствами. Наряду с высоким качеством отработки динамических режимов работы тягового двигателя таким системам присущи недостатки, связанные со сложностью вычисления частоты /і при включении системы после выбега, а при работе в области малых частот - сложностью измерения текущих значений токов и напряжений. Кроме того, при создании систем автоматического регулирования тяговым приводом, обеспечивающих высокие тягово-энергетическне показатели, обязательным является введение устройств защиты от боксования (юза), которые наиболее просто выполняются с использованием датчиков частоты вращения колесных пар.

На ЭПС с асихронными двигателями используются, как правило, регуляторы частоты с использованием датчиков скорости. В таких регуляторах в соответствии с выражением (10.4) частота статора формируется как сумма (в тяговом режиме) или как разность (в тормозном режиме) частот вращения ротора и заданного абсолютного скольжения. Суммирование (или вычитание) частот /_вр и /₂ может производиться различными способами. Ниже будут рассмотрены два регулятора частоты, нашедшие применение в отечественных системах тягового асинхронного привода: регулятор с обратной связью по абсолютному скольжению (рис. 10.4) и цифровой регулятор прямого задания абсолютного скольжения.

Регулятор частоты с обратной связью по абсолютному скольжению (49, 50] был использован на электровозе ВЛ80^а-751. Выходной сигнал в виде импульсов с частотой статора 12Д формируется генератором ГЧС, причем частота определяется напряжением ІІ_Г на входе ГЧС.

Истинное значение абсолютного скольжения /₂ определяется с помощью дискретного вычитателя частот ДВЧ, на два входа которого поступают в импульсной форме сигналы двух частот: /_вр от датчика скорости ДС и Д от генератора ГЧС. С выхода ДВЧ импульсный сигнал с частотой преобразуется в изменяющееся по уровню напряжение {/_СК| для чего используется преобразователь «частота скольжения - напряжение» ЧСН. Напряжение 1/_ск сравнивается с напряжением и_о, которое определяет заданное значение абсолютного скольжения ^₂уст' Выявленная таким образом ошибка регулятора в виде разности напряжений I/₀ н и_ск поступает на вход интегрирующего усилителя ИУ.

После интегрирования сигнал суммируется с напряжением 1/_вр, которое пропорционально частоте вращения /_вр, поступающей от датчика ДС и преобразуемой в напряжение с помощью преобразователя

Рис. 10.4. Структурная схема регулятора частоты с обратной связью по абсолютному скольжению

Рнс. 10.5. Структурная схема цифрового регулятора частоты:

ФКС - формирователь кода заданного абсолютного скольжения; ДС --импульсный датчик скорости; ЧКП - преобразователь частоты вращения в код периода; КПК.Ч - преобразователь кода периода в код частоты; Г - генератор тактовой частоты; ДлІ, Длі - делители частоты; ПКЧ - преобразователь кола в частоту

«частота вращения - напряжение» ЧВН. Результирующее напряжение U_т подается на вход генератора ГЧС.

Рассмотренный регулятор является астатическим с обратной связью по скольжению и с компенсацией по основному возмущению, т. е. с компенсацией по частоте вращения. Как показали испытания, данный регулятор обеспечивает стабилизацию абсолютного скольжения в пределах от 0,7 до 2 Гц с точностью 0,1 Гц при изменении частоты тока статора от 0,7 до 140 Гц.

Цифровой регулятор частоты (рнс. 10.5) не требует преобразования импульсных сигналов в аналоговые, не содержит подстроечных элементов н обладает высокой точностью регулирования [51]. Регулятор выполнен на микросхемах серии К155. Генератор Г работает с частотой /_т0 = 1 МГц. Частота ротора асинхронной машины f_av измеряется импульсным датчиком скорости ДС, который механически связан с ротором машины.

Время одного оборота ротора двигателя, имеющего р, пар полюсов,

T = Pi/f яр. (10.11)

При этом период повторения импульсов датчика ДС, формирующего т импульсов за один оборот ротора,

Г_д = Рі/(т/_вр). (10.12)

Сигналы от датчика скорости поступают на вход преобразователя «частота вращения - код периода» ЧКП, который включает в себя двоичный счетчик, устройство памяти на D-триггерах и два формирователя узких импульсов. Очередной сигнал датчика ДС запускает первый формирователь н с задержкой 5 мкс второй формирователь. Сигнал первого формирователя используется для записи содержимого счетчика в устройство памяти на D-триггерах, а по сигналу второго формирователя счетчик устанавливается в «0». Интервалы между двумя последовательными импульсами датчика заполняются сигналами тактовой частоты /_т1. В счетчике подсчитывается число тактовых импульсов в интервале Т_д, и это число является кодом периода вращения:

K_a=T_af„. (10.13)

Требуемое значение тактовой частоты fri определяется максимальной частотой статора /_1та1 и допустимой абсолютной погрешностью регулирования частоты A/_ь которая является важной характеристикой регулятора. В данном регуляторе наибольшая абсолютная погрешность измерения временного интервала (т. е. периода Т_д) неизменна и равна одному периоду тактовой частоты: т = 1//_т1. Относительная погрешность измерения временного интервала б_т изменяется и становится наибольшей прн f_x = /_1тах. В этом случае 6_Т, отнесенная к времени одного оборота ротора (если принять /_{вр гаах} = /_шах), с учетом выражения (10.11):

ar = fvn*x/(Pifn) • (Ю-14)

Относительная погрешность по частоте статора

б/=» Д (10.15)

Из условия равенства 6_Т = 61 тактовая частота

/«=/*_гаах/(Рі^Д/»). (Ю.16)

Регулятор выполнен таким образом, что при включении питания н отсутствии сигналов датчика ДС (т. е. при неподвижном двигателе) минимальная частота на выходе регулятора равна заданному абсолютному скольжению, т. е. fuma = /*у_СТ- Определенные трудности вызывает измерение периода вращения ротора при малой скорости, как как это связано с возрастанием разрядности счетчика. Целесообразно выбирать разрядность счетчика из условия, что регулятор реагирует на минимальную частоту вращения /_{вр mln} » 0,2/_2уст. Тогда согласно уравнениям (10.12) и (10.13)

max = 5pi/_то/(ш/₂ у_СТ). (10.17)

Рис. 10.6. Структурная схема (а) и диаграммы работы преобразователя скод периода - код частоты» (б)

С учетом выражения (10.16) разрядность двоичного счетчика, входящего в преобразователь ЧКП, должна удовлетворять условию

(10.18)

Чтобы переполнение счетчика при /»р 0>2 /*у_Ст не нарушало ра

боты регулятора, предусмотрена блокирующая цепь, которая позволяет установить счетчик в положение «0» только при поступлении очередного импульса от датчика ДС.

При условиях: Л тах = 100 Гц, А/, = 0,05 Гц, /,_усТ = 0,7 Гц, т = = 24 расчет по формуле (10.18) показывает, что в преобразователе ЧКП должно использоваться шестнадцатиразрядное счетное устройство.

Тактовая частота /ть определяемая выражением (10.16), формируется из тактовой частоты /_то с помощью делителя Дл1.

Наиболее важным узлом данного регулятора является преобразователь КПКЧ, который преобразует код периода К_а в код частоты К_ч. Такое преобразование связано с операцией деления, что представляет сложную задачу для автономного вычислительного устройства. В данном регуляторе использован относительно простой способ выполнения операции деления косвенным путем. Поскольку для любого периодического сигнала с частотой 1 и периодом Т выполняется равенство /Т = 1, то для кодов Кп И к_ч справедливо равенство

К_аК_ч = Ы, (10.19)

где N - некоторое двоичное число, равное 2?¹.

Из выражения (10.19) следует, что К_ч = #//(„.

Преобразователь КПКЧ (рис. 10.6, а) включает в себя накапливающий сумматор (он состоит из сумматора СМ и устройства памяти на О-триггерах ТГ1), счетчик СЧ с устройством памяти ТГ2 и два формирователя узких импульсов ФИ1 и ФИ2. В накапливающем сумматоре число К _а суммируется само с собой до тех пор, пока не будет набрано число N = 2^П'. На выходе сумматора при этом возникает импульс переполнения [_п. Операции суммирования производятся с тактовой

частотой /_т0. Число операций суммирования между двумя очередными импульсами переполнения подсчитывается счетчиком СЧ, и это число представляет собой код частоты К_ч.

Импульс переполнения f _п запускает последовательно формирователи ФИ1 и ФИ2. Сигнал ФИ1 используется для записи содержимого счетчика в устройство памяти 777, а сигнал ФИ2 возвращает счетчик в исходное состояние. Важно отметить, что в исходном состоянии в счетчик записывается код заданного абсолютного скольжения К_с, который поступает от формирователя кода скольжения ФКС (см. рис. 10.5). В режиме тяги число К_с задается в прямом коде, а в режиме торможения - в дополнительном. В результате на выходе преобразователя КПКЧ получаем код частоты К_ч = К_вр ± К_с. Это выражение соответствует требуемому закону регулирования частоты статора асинхронной машины.

Код частоты, т. е. число операций суммирования между двумя импульсами переполнения накапливающего сумматора, д»

*ч=ЛГ/К„ = -- /,=«*!. (10.20)

01 IТ1

где а - коэффициент пропорциональности между частотой и ее кодом.

Интервал вычисления кода частоты

Т_В = К_Ч1[_Г0 = -^- . (10.21)

Р\IТО IТ1

Максимальная абсолютная погрешность преобразования кода периода в код частоты неизменна и составляет единицу счета счетчика СЧ (см. рнс. 10.61, а относительная погрешность преобразования 6_П = -= 11К_Ч. Эта погрешность максимальна при К_{ч т}1п = К_с и с учетом выражения (10.20)

бп тах - 01 /п /(^/я/* уст) (10.22)

Число М, которое определяет разрядность п_х сумматора СМ, следует выбирать с учетом двух условий: достижение приемлемого времени вычисления Т_ь при максимальной частоте согласно уравнению

(10.21) и получение допустимой относительной погрешности преобразования 6„ при минимальной частоте статора согласно выражению

(10.22) . Например, при 16-разрядном сумматоре (М = 2^1в) и р - = 2 коэффициент пропорциональности а = 7,864, 6_{П тах} = 0,13, а Т_в тах ~ 784 мкс, и это время меньше периода импульсов датчика скорости ДС, поскольку Г_дт|_П = 833 мкс при /, = 100 Гц. Поэтому в данном цифровом регуляторе частоты время запаздывания не превышает ¹/_и времени одного оборота ротора двигателя.

Разрядность счетчика СЧ определяется значением кода К_чтах и с учетом выражения (10.20)

. IV т

п_Сч 5* 1о8, ~ /| щах • (10.23)

РГч

Преобразователь «код - частота» ПК.Ч (см. рнс. 10.5) работает с тактовой частотой /_т0 и выполнен на основе делителя частоты с переменным коэффициентом деления. Частота на выходе ПК.Ч /_вых = /_т0/&, причем коэффициент деления Ь зависит от кода К_ч: Ь - 2^п»1К_ч.

В рассматриваемом регуляторе при п₂ = 12 частота на выходе ПКЧ /вых = 1920 /,. Применение делителя Дл2 с коэффициентом деления 160 позволяет получить на выходе регулятора сигнал с частотой 12/,, который далее используется для управления автономным инвертором.

Код заданного абсолютного скольжения К_с, пропорциональный частоте тока ротора /_2уст, задается с помощью формирователя кода скольжения ФКС. Поскольку частота /_2уст Должна изменяться в зависимости от заданного момента, а также (в зоне частот выше номинальной) и от частоты вращения, то формирователь ФКС может быть выполнен на основе аналого-цифрового преобразователя, преобразующего аналоговые сигналы, пропорциональные заданному моменту и частоте вращения, в код К_с-