автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка микропроцессорных систем управления компенсаторами неактивной мощности

Б ОД

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ)

На правах рукописи

ХАММАМИ УСАМА

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСАТОРАМИ НЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи

электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре Промышленной электроники Московского энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Е.Е.Чаплыгин

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.А.Чванов

- кандидат технических наук, доцент В.Г.Алферов. Ведущее предприятие - НПП "ВНИИЭМ". Защита диссертации состоится II ноября 1994 года в /Г час. (>(■> мин. на кафедре электроснабжения *

На заседании специализированного совета Д 053.16.13 Московского энергетического института по адресу: 105835, Москва, Е-250, ул.Красноказарменная, 14.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная, 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.н. доцент

/V И,Г,БУРЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развятие индустрии характеризуется дальнейшим ростом нагрузок электрических сетей, имеющих нелинейный характер, а также потребителей с резко изменяющимся графиком потребления электроэнергии. Это обстоятельство требует принять ряд мер для исключения снижения качества электрической энергии в сетях. К числу таких мер относится применение . современных типов фильтро-компенсирующях устройств, в первую очередь на базе мощных полупроводниковых приборов (вентилей). Решение этой задачи стимулируется тем, что в наиболее развитых странах мира вводятся в действие стандарты, ужесточающие требования к качеству электрической энергии. Поэтому во всех развитых странах проводятся интенсивные научные исследования в данной области, разрабатываются и внедряются вентильные компен--саторы различных типов. Наиболее интенсивные исследования проводились в Японии, США, ФРГ, России и на Украине.

Несмотря на это, наблюдается ряд случаев отставания в развитии техники компенсации от требований к качеству электрической энергии. Это связано как с нерешенностью ряда технико-экономических проблем создания силовой части компенсаторов, так и со слабой разработкой вопросов управления компенсаторами. Эта недоработанность вопросов управления связана как с общетеоретическими вопросами (выработка требований к динамике и точности, определение оптимальных способов получения и обработки сигналов), так и с отсутствием специальных исследований, касающихся аппаратной реализации устройств управления компенсаторами, в частности микропроцессорными.

Цель работы

1. Определение рациональных требований к системам управления компенсаторов неактивной мощности, анализ и разработка перспективных способов управления компенсаторами различных типов, выявление общих закономерностей их построения.

2. Разработка цифровых систем управления компенсаторами неактивной мощности различных типов на базе наиболее распространенных восьмиразрядных микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров при стремлении к снижению стоимости и аппаратных затрат.

- л -

3. Как средство выполнения высокоточных устройств управления компенсаторов неактивной мощности, разработка быстродействующих вычислителей активных и неактивных составляющих мощности и тока.

. 4. Выявление влияния способа управления на электромагнитные процессы в выбор основных параметров компенсаторов, в том числе компенсаторов на базе автономных инверторов.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы теории цепей, в их числе теория мощности, методы гармонического анализа, методы теории вероятности, методы цифрового моделирования электронных устройств, методы теории конечных автоматов.

Научная новизна работы

1. Показана общность структуры и функций систем управления компенсаторами неактивной мощности.

2. Установлена взаимосвязь способа я быстродействия управ- . ления инверторных компенсаторов с высокочастотной модуляцией я параметров силовой цепи компенсатора.

3. Установлена возможность создания быстродействующих вычислителей активных и неактивных составляющих мощности и тока на базе простых процессоров, не имеющих команд умножения и деления, предложены два оригинальных способа создания умножителей (по методу логарифмирования и по методу преобразования сигнала в частоту).

4. Разработана методика определения погрешности дискретизации цифровых вычислителей, работающих в циклическом режиме, основанная на цифровом моделировании.

Практическая ценность работы. Использование работы позволяет оптимизировать режимы работы компенсаторов неактивной мощности, а в ряде случаев оптимизировать установленную мощность компенсаторов. Разработаны схемы и программное обеспечение систем управления компенсаторами, удовлетворяющих требованиям к ним и реализуемых при минимальных затратах. На базе этих решений можно создать систему индексации активных и неактивных составляющих мощности и сетевого тока.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на все-

союзной конференции по преобразовательной технике в городе Чернигове в 1991 г. и на двух семинарах кафедры промышленной электроники МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано две статьи и получено два авторских свидетельства и три патента.

Состав работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Основной текст содержит 150 стр. машинописного текста, иллюстрируется 114 рисунков и 12 снимков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В гл.1 "Способы повышения коэффициента мощности в электрических сетях" дан обзор основных положений теории мощности и введена классификация вентильных преобразователей по их влиянию на питающую сеть, в основу которой положен гармонический состав сетевого тока. Предложена развернутая классификация компенсаторов неактивной мощности /КНМ/, которая позволяет учесть все наиболее известные решения. Среди параметров классификации важным является способ управления, по которому КНМ делятся на неуправляемые, КНМ со ступенчатым управлением, КНМ с фазовым управлением и КНМ с высокочастотной модуляцией.

Среди управляемых КНМ распространены компенсаторы со ступенчатым управлением, состоящие из набора конденсаторов с тири-сторными коммутаторами, а также разнообразные КНМ с фазовым управлением, как на однооперационных вентилях с регулируемой индуктивностью, так и на полностью управляемых вентилях по схемам выпрямителей (с индуктивной нагрузкой и опережающим углом управления) либо инвертора напряжения в обратимом режиме с емкостным накопителем энергии. Анализ процессов в таких компенсаторах позволяет установить большую общность в построении систем управления компенсаторов и выпрямителей с фазовым, ступенчатым и фазоступенчагым управлением. Дня компенсаторов на полностью управляемых вентилях инверторного и выпрямительного типа предложено использовать известные системы управления выпрямителями замкнутого типа, стабилизирующие режим накопительного элемента.

Отличительной особенностью КНМ является в большинстве ком-

- о -

пенсаторов необходимость введения в систему управления вычислителя для расчета реактивной мощности сдвига или активной мощности либо активной или неактивной составляющих сетевого тока. . Рассмотрены различные типы построения вычислителей, начиная с простейших. В том числе простая цифровая схема вычислителя реактивной /или активной/ мощности, основанная на интегрировании сетевого тока на смежных четвертях периода с последующим вычислением разности интегралов. Показано, что для сетей, в которых разложение в ряд Фурье тока содержит лишь известный ряд канонических гармоник, указанная схема вычислителя обеспечивает высокую точность, однако, в сетях со сложным гармоническим составом тока использование подобного вычислителя нецелесообразно. Наиболее совершенным является вычислитель, реализующий одно из следующих выражений:

/ б и1 -

Ч п »

Л- Уч

^ а * / сШ*, 1

"г , П/

3 *

о

я. г

\ 14 Со* и* <Ли>1 2 Г у - 1

2;

где Ы-1 , - сетевые напряжения и ток, 6/ - частота сети. Определены требования к вычислителю, в том числе при цифровой реализации: вычислитель должен иметь точность порядка 1%, осуществлять вычисления за период сети, производить не менее 200 вводов величин на периоде сети.

Наиболее подробно рассмотрена работа КНМ инверторного типа с высокочастотной модуляцией. Эта схема основана на работе автономного инвертора напряжения в обратимом режиме. Гладкая составляющая тока инвертора дополняет ток потребителя ;.о синфазной напряжению синусоиды. Вентили инвертора переключаются

по принципу ПИМ, либо осуществляется двухстороннее слежение за током. На основании анализа электромагнитных процессов инвертора получены основные регулировочные характеристики, выявлена связь режима работы накопительного конденсатора с потерями в инверторе. Показано, что решающим в управлении КНМ является выбор амплитуды 137 т формируемого системой "потребитель- КНМ" тока, так как неоптимальный выбор /т приводит к изменению режима работы накопительного элемента, ведущему к неработоспособности инвертора. При любой амплитуде КНМ успешно подавляет мощность сдвига и мощность искажения. Проведен анализ активных составляющих тока в переходных режимах при различных способах управления компенсатором. Анализ показал, что сочетание быстродействия компенсатора с минимизацией установленной мощности его элементов может быть достигнуто при реализации предложенного способа управления, в которой амплитуда тока

19Т.т 1„-к (ис -ис„ол1), /г/

где Т» - активный ток потребителя, Ос - напряжение на накопительном конденсаторе инвертора, к - коэффициент пропорциональности.

Показана связь быстродействия системы управления и минимальной величины накопительного элемента. Показана ограничительная возможность подавления инверторным КНМ субгармоник сетевого тока. Анализ позволил установить большую общность системы управления КНМ с высокочастотной модуляцией с системами других КНМ, в частности необходимость введения вычислителя активной мощности или активной составляющей тока.

В гл.2 "Программные способы построения вычислителя" показаны возможности построения вычислителей, реализующих выражения /I/ средствами микропроцессорной техники. Показано, что наиболее просто вычислители строятся на процессорах, имеющих быстро выполняемую команду умножения, однако имеются широкие возможности использовать для построения вычислителей и более простые процессоры типа КР580ВМ80, 2 80, ОМК КМ1816ВЕ48.

Одним из эффективных способов построения быстровыполнимых подпрограмм умножения является "метод жестких подпрограмм".

Рис Л. Структурная схема программы пнчиеления активной мощности для МП KP 580 KI.! 80Л

однако он требует больших емкостей памяти, что препятствует его использованию в однокристальных микроконтроллерах.

Наибольшее внимание уделено способу, основанному на применении записанных в ПЗУ таблиц логарифмов и антилогарифмов. В резидентной памяти записаны таблица логарифмов

Емкость таблиц 1/2 килобайт.

На рис.1 приведена структурная схема программы вычисления активной мощности за один период сети при 256 вводах входных величин за период. Рассмотрены вопросы аппаратной реализации интерфейса при подобном построении вычислителей, в частности структура АЦП, причем показаны преимущества интегрирующих АЦП с преобразованием аналогового сигнала в число импульсов в пачке.

Для расчета точности работы вычислителя, применяющего байтовый формат для записи величин, проведен подробный анализ погрешностей дискретизации при вычисления мгновенной мощности. Они возникают как при логарифмировании, так и при потенцировании, причем найдены максимальные погрешности, обусловленные каждым из факторов распределение вероятностей погрешностей и зависимость погрешностей от величины вычисляемой мгновенной мощности. Суммарные погрешности вычислителя значительно меньше, поскольку при интегрировании мгновенной мощности происходит взаимная компенсация погрешностей, при этом интегрирование осуществляется при периодическом изменении входных параметров.

Для вычисления погрешностей при вычислении активной /реактивной/ мощности и составляющих сетевого тока предложено проводить вычисления на цифровой модели. Часть этой модели имитирует сигналы сети: напряжение и токи синусоидальной либо несинусоидальной формы. Другая часть имитирует работу вычислителя. Блок обработки результатов производит построение кривых распределения вероятностей. Моделирование производится в.различных режимах, различающихся формой и величиной тока и углом сдвига основных гармоник тока и напряжения. Для получения вероятност-

и антилогарифмов

2t

w

S7

TDK tmewiOMHUÜ

T * Ш-2 5S fü

• •

'S

Tot ttixvcouia/HHv

J_. ist- tss

12

-HS -0,25 о Ц15 -tss -<я с «« £%Pnttcl

W ¿m

/9

7 liü-fM

*/n

11

-07$ -«5 -Ц25 О 015 Ц5 О,ff «¿9 -qtt -Orti О 04 ОМ ,Jp j

w

«a l»*27'i0

16

EL

w

¿3 11

\ .

-U-"- Н

-Mio ooe г*/в 7 -w-etз-e,u-W о ojt e,«

-tu ¿7-W H'P^J

n) Ö)

Рис.2. Экслеримонталыше рпспрел'-ления погрешности

п> при пичпслпппи по способу логпрнфшровашш

б) при тшчиоленин по способу прсобрпзовшшл слгппло в частоту

4

ных зависимостей производится варьирование исходных параметров в пределах выбранного режима. На рис. 2,а приведена одна из полученных кривых распределения погрешностей при вычислении активной мощности описанным выше способом.

Результаты экспериментов, проведенных на цифровой модели, показали, что измерения проведены на доверительном интервале. Суммарные ошибки дискретизации не превосходят 1% от максимума измеряемой величины, что соответствует требованиям к вычислителям. Кривые распределения имеют характер, близкий к нормальному распределению.

Основной особенностью программных способов построения вычислителей является жесткая связь реализуемой точности и быстродействия выполнения арифметических операций микропроцессором.

Составлено программное обеспечение как для восьмиразрядных микропроцессоров, так и для однокристальных микроконтроллеров, разработаны и отмакетированы интерфейсные блоки вычислителя.

В гл.3 "Программно-аппаратные способы построения вычислителя" рассмотрен иной оригинальный способ построения вычислителя. Способ при вычислении мгновенной мощности осуществляет умножение сигналов в частотной плоскости. Для этого один из сигналов /например, ток/ преобразуется в частоту, и эта частота поступает на управляемый делитель частоты, коэффициент деления которого обратно пропорционален второму сигналу /например, напряжению/. Указанный способ может иметь очень широкий спектр реализаций, в том числе аналоговых устройств, в которых легко реализуется делитель частоты с аналоговым управлением и дробным коэффициентом деления частоты. Цифровые решения отличаются степенью загрузки микропроцессора, от решений, в которых микропроцессор не участвует в работе вычислителя, до схем, где основные операции выполняются микропроцессором, но значительно упрощается интерфейс. Структурная схема вычислителя приведена на рис.3.

При построении цифровых вычислителей необходимо реализовать делители частоты с дробным коэффициентом деления. Проанализированы известные схемы двухкаскадных делителей частоты, среди них выбрана наиболее перспективна^, показанная в составе устройства на рис.3. Рассмотрены также способы построения трехкаска- 1 дных делителей частоты, позволяющих получать повышенную точность

Рис.3. Схема цифровой rnnJI1,:ír"№n вычислителя с помощью делителя частоты

работы вычислителя.

Как и в гл.2, расчет погрешностей включает в свой состав подробный анализ погрешностей дискретизации при вычислении мгновенной мощности /или других подобных величин/, исследованы вероятностные характеристики погрешностей, вычислены максимальные погрешности, определена зависимость погрешностей от режима. Однако, при работе вычислителя сигналы меняются по периодическому закону и погрешности при интегрировании взаимно компенсируются. Для количественной оценки этого явления, как и в гл.2, проведен широкий круг экспериментов на цифровой модели, в которую в этом случае введен иммитатор программно-аппаратного вычислителя. Получены кривые распределения ошибок вычислителя, одна из которых приведена на рис.2,б. При двухкаскадном делителе частоты погрешности не выходят за пределы 1% максимума измеряемой величины, кривая распределения имеет характер, близкий к нормальному.

Программно-аппаратный способ построения вычислителя имеет определенные преимущества. Так он позволяет путем сложения делителя частоты и интегрирующего счетчика повысить точность работы, которая не нормирована быстродействием процессора. Недостатком способа является увеличение аппаратных затрат, но они сравнительно невелики, так как интерфейс реализуется на ИМС высокого уровня интеграции /таймеры и т.п./. Проведена разработка программного обеспечения для восьмиразрядных микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров. Разработан и смакетирован универсальный интерфейс, позволяющий осуществлять как программное /см.гл.2/, так и программно-аппаратное построение вычислителя.

В гл.4 "Вопросы построения систем управления компенсаторов мощности искажения" рассмотрены вопросы построения целостной системы управления КЕМ, причем главное внимание уделено однопроцессорным системам, в частности системам для управления КНМ инверторного типа с высокочастотной модуляцией. Одним из важных вопросов построения таких систем является создание источни- " ка квазисинусоидального сигнала /аналог или код/, синфазного напряжению сети и регулируемого по амплитуде микропроцессором. Проведено аналитическое описание известных решений, предложен ряд новых схем более органично сочетащихся с микропроцессорными устройствами. К их числу относится источник аналогового сигнала с двухкратным интегрированием /рис.4,а/, в котором си-

Рис.4,а. Сгруктурнпя схема источника квпзисинусоидячыюго нппрпжеипя

Рис.4,6. Трех'ТшннГт тонорлтор кчяяпспнусоплялыгах кодов

стема обнуления интеграторов эффективно реализуется на программируемых таймерах, формирователь квазисинусоидального кода с промежуточным преобразованием сигнала в ШИМ и числоимпульсную модуляцию, который позволяет применять процессоры, не имеющие команды умножения при минимальных затратах на таблицы ПЗУ, а также решение, основанное на формировании аналогового сигнала из сетевого напряжения с помощью ЦАП /рис.4,б/. Отличием последнего решения является то, что в нем устранена зависимость формируемого сигнала от текущей амплитуды сетевого напряжения программными способами.

Рассмотрены в общем виде способы совмещения в одном процессоре различных функций путем разделения их выполнения во времени. В качестве примера одного из перспективных способов разделения во времени является вариант, реализованный в устройстве управления КНМ на базе инвертора напряжения с высокочастотной модуляцией, выполненном на ОМК типа КМ1816ВЕ48. Вычислитель в нем построен по принципу логарифмирования, что обеспечивает мини-малыше аппаратные затраты на интерфейс. Поскольку два раза за период напряжение сети имеет значения близкие к нулю, то в эти моменты изменение интеграла при вычислениях по формулам /I/ малы и можно пользоваться этим временем для реализации закона управления инвертором по выражению /2/, формированию синусоидального управляющего сигнала по схеме, показанной на рис.4,б. Разработано программное и схемное решение системы управления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По результатам исследований и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Показана общность структуры и функций систем управления различными типами компенсаторов неактивной мощности, позволяющая унифицировать схемные и алгоритмические решения систем упра-. вления.

2. Установлена связь быстродействия вычислителя системы управления КНМ с высокочастотной модуляцией и параметров силовой цепи интертора КНМ.

3. Установлено, что быстродействующие и достаточно точные вычислители активных и неактивных составляющих мощности и тока

могут быть реализованы на любых восьмиразрядных процессорах, предложено два оригинальных способа создания вычислителей (по методу логарифмирования и по методу преобразования сигнала'в частоту), а также простой вычислитель, основанный на интегрировании тока на смежных четвертях периода.

4. Разработана методика определения погрешности дискретизации цифровых вычислителей, работающих в циклическом режиме, основанная на цифровом моделировании.

5. Созданы системы управления основными типами КИМ на базе микропроцессорных устройств, позволяющих добиться максимальной степени компенсации неактивных составляющих мощности сети как в статических, так и в динамических режимах, причем указанные системы обладают малыми аппаратными затратами и могут быть реализованы на восьмиразрядных процессорах и однокристальных микроконтроллерах кассового применения.

I. Пат. 1836792 РФ. Генератор -фазных синусоидальных

кодов (Чаплыгин Е.Е., Хаммами У.). Открытия. Изобретения, 1993, № 31. '

для управления компенсатором мощности искажения (Лабунцов В.А., Чаплыгин Е.Е., Хаммами 7., Ужан Дайжун). Открытия. Изобретения, 1993, №32.

3. Пат. 2006128 РФ. Цифровое устройство для управления компенсатором неактивной мощности (Чаплыгин Е.Е., Хаммами У.). Открытия. Изобретения, 1994, № I.

4. Авт.свид. 1800561 СССР. Источник квазисинусоидального напряжения (Чаплыгин Е.Е., Хаммами У.). Открытия. Изобретения, 1993, 1 9. '

5. Авт.свид. 1802390 СССР. Устройство для управления компенсатором реактивной мощности (Чаплыгин Е.Е., Хаммами У.). Открытия. Изобретения, 1993, № 10'.

6. Лабунцов В.А., Чаплыгин Е.Е., Хаммами У. Вопроск быстродействующего управления вентильными компенсаторами реактивной мощности, /р Проблемы преобразовательной техники /-Киев: Наукова думка, 1991.

7. Чпшпп'пн Е.Е., Хямгомп У. Цг/'ровое управление компенсаторами реактивной мощности //Элоктрнчпптпо - 1992,5 II.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

2. Пат. 1838867 РФ. Способ формирования эталонного сигнала

Типография .МЭИ. Красноказарменная, 13.