WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ПУСТЫЛЬНЯК Иван Александрович

КОМПЛЕКС ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АГРЕГАТОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Мордовский государственный

университет имени Н.П. Огарева»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Карасев Александр Вениаминович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Голембиовский Юрий Мичиславович

кандидат технических наук, доцент

Анашкин Анатолий Александрович

Ведущая организация:

ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск

Защита состоится « 29 » мая 2008 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » апреля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение бесперебойности питания электроэнергией ответственных потребителей топливно-энергетического комплекса, промышленности, транспорта, связи, авиации и т.п. Современные агрегаты бесперебойного питания (АБП) отличаются большим числом обратных связей и управляющих воздействий, высокой стоимостью, повышенными требованиями к надежности и качеству управления. В производстве АБП полностью завершился этап перехода от аналоговых систем управления к цифровым. На порядок возросли функциональные и сервисные возможности АБП, упростились его наладка и интеграция в системы автоматизации производства. Агрегаты бесперебойного питания стали интеллектуальными, с функцией интерактивной настойки оператором или по сети от внешнего компьютера, с развитыми средствами диагностики состояния оборудования и раннего предупреждения аварий. При проверке цифровой системы управления (ЦСУ) ее непосредственное подключение к силовой схеме может привести к выходу из строя дорогостоящих частей агрегата, а проверка системы управления поблочно затруднена из-за большого числа обратных связей и управляющих воздействий и их сложной взаимозависимости.

Математическую модель силовой схемы АБП можно использовать на этапе отладки и тестирования ЦСУ вместо силовой схемы, что позволит снизить затраты на проектирование и отладку, уменьшит себестоимость готовой продукции и повысит ее надежность.

В нашей стране и за рубежом разработкой устройств силовой электроники и их систем управления занимаются «ВЭИ» (г.Москва), «Конвертор» (г.Саранск), «Электровыпрямитель» (г.Саранск), «Инвертор» (г.Оренбург), «Технокомплект» (г.Дубна), N-POWER (Италия), Powertronix (Германия), ARTronic (Германия), APC (США), BENNING (Норвегия), Liebert-Hiross (Германия).

Среди ученых, работающих в этом направлении, следует отметить Ф.И. Ковалева, В.А. Чванова, Г.М. Мустафу, Ю.К. Розанова, А.С. Васильева, Г.С. Зиновьева, С.А. Харитонова.

Использование в отечественной практике моделей реального времени силовых схем АБП для отладки и тестирования ЦСУ пока не достаточно разработано, а зарубежные системы ориентированы в основном на другие области применения.

Цель работы заключается в создании комплекса для тестирования ЦСУ АБП в режиме реального времени.

Основные задачи формулируются следующим образом:

1. Разработать структуру комплекса для тестирования в режиме реального времени ЦСУ.

2. Разработать математическую модель силовой схемы АБП для работы в режиме реального времени.

3. Разработать программное обеспечение для реализации алгоритма моделирования в режиме реального времени.

4. Разработать устройство сопряжения ЭВМ и тестируемой ЦСУ.

5. Разработать программное обеспечение для устройства сопряжения тестирующего комплекса.

6. Проверить разработанное решение экспериментально.

Методы исследования. При реализации математических моделей были применены теория дифференциальных уравнений, численные методы решения, методы расчета переходных процессов в электрических цепях, метод вариации постоянных, теория матричного исчисления.

Выносимые на защиту результаты. В соответствии с целью работы получены результаты, обеспечивающие сокращение затрат промышленных предприятий на этапе проектирования и наладки АБП за счет применения аппаратно-программного комплекса тестирования цифровых систем управления.

На защиту выносятся наиболее значимые из полученных результатов:

1. Аппаратно-программный комплекс тестирования ЦСУ АБП, позволяющий тестировать и отлаживать ЦСУ с большим числом обратных связей и управляющих воздействий, а также алгоритмы тестирования плат ЦСУ АБП во всех режимах работы с использованием полученного комплекса.

2. Модель силовой схемы АБП, включающая все основные функциональные особенности и математические зависимости, описывающие физическую силовую схему АБП.

3. Устройство сопряжения ЭВМ и тестируемой ЦСУ, позволяющее преобразовывать сигналы обратных связей и управляющих воздействий из цифрового в аналоговый вид и из аналогового в цифровой соответственно.

4. Алгоритмы и программное обеспечение для ЭВМ и микроконтроллера устройства сопряжения.

Достоверность научных результатов обеспечена сопоставлением основных результатов, полученных при исследовании ЦСУ АБП с помощью тестирующего комплекса, с результатами испытаний реального АБП.

Научная новизна:

1. Разработана архитектура аппаратно-программного комплекса для тестирования ЦСУ АБП на основе математического моделирования в режиме реального времени.

2. Предложена новая математическая модель силовой схемы АБП для расчета в режиме реального времени.

3. Предложен новый алгоритм моделирования в реальном времени преобразователей с частотой коммутации, определяемой внешней схемой.

4. Разработано устройство сопряжения исследуемой ЦСУ и модели.

Практическая ценность работы. Предложенный аппаратно-программный комплекс облегчает процесс разработки различных частей АБП посредством исключения затрат на макетирование, уменьшает затраты на производство АБП, позволяет выявить нарушения в функционировании ЦСУ на стадии изготовления и снизить вероятность аварий на этапе наладки АБП.

Реализация результатов работы. Предложенный в диссертации аппаратно-программный комплекс тестирования ЦСУ и разработанные модель АБП и устройство сопряжения используются при проверке и наладке плат системы управления агрегатов бесперебойного питания АБП2-16-50МТх3-УХЛ4 и АБП2-31,5-50МТх3-УХЛ4 фирмы ЗАО ”Конвертор”, и при подготовке студентов по специальности 210106 в Мордовском госуниверситете.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на: Огаревских чтениях, XI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского госуниверситета им. Н.П. Огарева (Саранск, 2006), V научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (Саранск, 2006), VIII Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006» (Новосибирск, 2006), IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами МСУТП-2007» (Саранск, 2007), Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность СЭЭ – 2007» (Алушта, Украина, 2007). Также получены два свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на полезную модель.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 154 наименований. Объем диссертации – 149 страниц, включая 44 рисунка и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и новизна работы, определены цели и задачи предлагаемого исследования, а также приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В главе I дан обзор силовых схем АБП, рассмотрены их типовые структуры и особенности при работе в режиме On-line. Блочно-функциональная схема АБП представлена на рис.1. Особенностью современных АБП являются повышенные требования к их надежности и качеству управления, что обеспечивается использованием цифровых методов и схем на основе микроконтроллеров с большим числом обратных связей и управляющих воздействий. Так, в рассматриваемой схеме на систему управления поступает 21 сигнал обратной связи, а от ЦСУ на силовую схему подается 10 сигналов управления силовыми ключами. ЦСУ должна контролировать входные и выходные напряжения АБП, обеспечивать переключение режимов работы силовой схемы, а также своевременное отключение агрегата при возникновении аварии.

Анализ работ по комплексам тестирования ЦСУ АБП показал, что лишь некоторые из них позволяют работать в режиме реального времени. Способы тестирования систем управления делятся на два вида: тестирование без привязки к реальному времени и тестирование с использованием математического моделирования в реальном времени. К первому виду относится тестирование с помощью логического и сигнатурного анализаторов. Их недостатки заключаются в сложности унификации тестирующих устройств, а также в невозможности использовать обратные связи.

Рис.1. Блочно-функциональная схема АБП

Ко второму виду относятся системы, содержащие модель силовой схемы агрегата, к которой подключается проверяемая система управления. В этом случае отладку и тестирование ЦСУ можно реализовать на математической модели, но для организации потоков данных в режиме реального времени необходимо устройство ввода-вывода.

Рассмотрены современные системы моделирования устройств силовой электроники. Так, система PSIM позволяет выводить на внешний порт ЭВМ результаты моделирования, где они могут быть преобразованы в формат, пригодный для системы управления. Недостатком данной системы является необходимость разработки устройства преобразования сигналов, а также невозможность управления процессом моделирования со стороны физической системы управления.

Среда разработки виртуальных приборов LabVIEW не имеет стандартных инструментов моделирования силовых схем преобразователей. Но она позволяет не только подавать на систему управления результаты моделирования, но и передавать поступающие от нее сигналы управления на модель. В этом случае процессом моделирования управляет проверяемая плата. Недостатком использования среды LabVIEW при тестировании ЦСУ АБП является отсутствие достаточного количества выводимых во внешнюю схему сигналов и недостаточное быстродействие.

Среда моделирования Matlab не имеет достаточного быстродействия для моделирования силовой схемы АБП в реальном времени. Для таких случаев целесообразно встроить в Simulink дополнительный блок ARTEMIS Real-Time Simulation. Для более удобной работы с реальной схемой разработана система RT-Lab. Она подключается к Matlab-Simulink и позволяет ускорить процесс передачи результатов моделирования от ЭВМ к реальной схеме и обратно. Одним из основных недостатков указанной системы является высокая цена комплекса, что не позволяет применять его в мелко- и среднесерийном производстве.

Проведенный в первой главе анализ позволил определить основные особенности разрабатываемого комплекса и сделать вывод об отсутствии комплексов тестирования, решающих поставленную в работе задачу. Таким образом, ни один из существующих на данный момент аппаратно-программных комплексов не удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям и поэтому не может быть использован для тестирования ЦСУ АБП. Этим обосновывается необходимость создания аппаратно-программного комплекса тестирования ЦСУ АБП с большим числом портов ввода/вывода.

В главе II разработана модель реального времени силовой схемы АБП, включающая модель трехфазного управляемого выпрямителя с LC-фильтром, модели блока коммутации аккумуляторной батареи (АБ) и трех однофазных мостовых инверторов, соединенных в звезду. Структура модели меняется посредством переключающих функций. Для каждого блока аналитически решены системы дифференциальных уравнений и получены в явном виде уравнения всех переменных, определяющих состояние обратных связей, поступающих с силовой схемы в систему управления. Сигналы, поступающие от системы управления на силовую схему АБП, представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Сигналы управления силовой схемой.

Сигнал управления

Объект управления

Кол-во

Тиристор выпрямителя

Выпрямитель

3

Коммутирующий транзистор АБ

Блок АБ

1

Транзистор инвертора фазы А

Инвертор фаза А

2

Транзистор инвертора фазы В

Инвертор фаза В

2

Транзистор инвертора фазы С

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»