РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ ДЛЯ ТРЁХФАЗНОГО ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

IMPLEMENTATION OF A CONTROL SYSTEM ON MICROCONTROLLERS FOR A THREE-PHASE THYRISTOR RECTIFIER

Ivan Zelenkov

student, Komsomolsk-on-Amur State University,

Russia, Komsomolsk-on-Amur

Alexander Petukhov

scientific adviser, senior lecturer of the Department of «Industrial electronics and innovative technologies», Komsomolsk-on-Amur State University,

Russia, Komsomolsk-on-Amur

АННОТАЦИЯ

При разработке трёхфазных управляемых выпрямителей система управления реализуется на основе аналоговой схемы управления выпрямителями, на базе генератора линейно изменяющегося напряжения с компаратором. Однако, не редки случаи, разработки системы управления на основе микроконтроллера, если ее характеристики удовлетворяют требованиям разрабатываемого устройства. В ряде случаев возникают проблемы при построении систем управления на основе микроконтроллера, связанные с влиянием аппаратных прерываний на формирование сигнала управления углом открывания тиристора, что негативно сказывается на регулировочных характеристиках тиристорного многофазного выпрямителя. В статье представлено схемотехническое решение реализации цифровой системы управления трёхфазным тиристорным выпрямителем на основе трёх микроконтроллеров, в котором устранены недостатки характерные для систем управления на одном микроконтроллере.

ABSTRACT

When developing three-phase controlled rectifiers, the control system is implemented on the basis of a standard rectifier control circuit, based on a variable voltage line generator with a comparator. However, it is not uncommon to develop microcontroller-based control systems if its characteristics meet the requirements of the device being developed. In a number of cases, problems arise when building control systems based on a microcontroller, associated with the influence of hardware interrupts on the formation of a control signal for the opening angle of the thyristor, which negatively affects the regulatory characteristics of the thyristor multiphase rectifier. The article presents a circuit design solution for implementing a digital control system for a three-phase thyristor rectifier based on three microcontrollers, which eliminates the shortcomings characteristic of control systems on a single microcontroller.

Ключевые слова: микроконтроллерная система управления тиристорами, тиристорный выпрямитель, задержка угла управления.

Keywords: microcontroller thyristor control system, thyristor rectifier, control angle delay.

Разработчики систем управления для трёхфазных выпрямителей часто отказываются от использования МК для реализации систем управления, так как это связано с неравномерными внутренними задержками при работе самого МК, которые влияют на регулировочную характеристику трёхфазного выпрямителя. При разработке систем управления выпрямителем на основе микроконтроллера, накладываются ограничения быстродействия микроконтроллера, которые зависят алгоритма программы и тактовой частоты. Известно, что микроконтроллерные системы управления позволяют  получить  точность управления определяемую задержками на обработку прерываний, тактовой частотой, длиной алгоритма в подпрограмме, которая выполняется в прерывании. В аналоговой схеме точность регулирования ограничивается только конструкцией устройства управления и может иметь точность выше .

Несмотря на достоинства цифровых схем, у них есть главный недостаток – это наличие внутренних задержек микроконтроллера. При разработке системы управления тиристорным выпрямителем на МК, на параметры регулировочной характеристики выпрямителя накладываются ограничения по точности управления. В случае реализации системы управления тиристорным выпрямителем на основе микроконтроллера регулировочная характеристика будет неравномерной для каждой из фаз многофазного выпрямителя, что обуславливается задержкой открытия тиристорных ключей после формирования прерывания по таймеру, его обработки, формирования, что приведёт к задержке начала  открывания  тиристорного ключа.

Проблему характерную для цифровых систем управления многофазными тиристорными выпрямителями можно решить за счёт использования системы контроля за внешними прерывания, встроенную в большинство современных микроконтроллеров, а выполнение подпрограммы осуществлять после формирования сигнала управления тиристорным ключом. Так, например, если в момент перехода аналогового напряжения через ноль сформировать на входе микроконтроллера единичный импульс, полученный на выходе системы синхронизации и использовать его в механизме внешних прерываний, которые, как правило, обозначаются в документации на страницах распиновки INT0, INT1 и т.д., микроконтроллерная система управления сможет выполнять программу формирования сигнала управления тиристорным ключом с минимальной задержкой. Известно, что реализовать точную систему управления трёхфазным выпрямителем без задержки формирования импульса управления углом открывания тиристора сложно при использовании одного микроконтроллера с шестью внешними прерываниями, на обработку которых расходуется большая часть машинного времени микроконтроллера.

В лаборатории силовой электроники Комсомольского-на-Амуре государственного университета в рамках программы подготовки магистерской диссертации была разработана быстродействующая микроконтроллерная система управления на основе трёх широко распространённых микроконтроллерах, каждый из которых управляет парой силовых ключей, через которые протекает полупериод сетевого напряжения. Используя для формирования внешних прерываний блок синхронизации, отслеживающий момент перехода сетевого напряжения через нулевое значение имеется возможность точного управления тиристорными ключами, а после формирования сигнала управления тиристорными ключами выполняются части различных подпрограмм.

Авторами была разработана схема системы управления в программе Proteus. В процессе эксперимента, было установлено, что раздельная система управления индивидуальным микроконтроллером парой тиристоров в каждой фазе удовлетворяет точности управления соответствующей  характерных для аналоговых систем. Ниже представлена упрощённая схема системы управления на трёх микроконтроллерах.

Рисунок 1. Схема системы управления на трёх микроконтроллерах

Таким образом можно решить задачу управления многофазными выпрямителями за счёт использования цифровой системы управления, в которой программно-управляемый индивидуальный микроконтроллер обеспечивает управление включением тиристора по сигналам синхронизации формируемых в момент перехода фазного напряжения через нулевое значение в каждой из фаз.

Заключение

В ходе исследования, был рассмотрен способ реализации системы управления на основе трёх микроконтроллеров с прерыванием по внешним сигналам. Рассмотренный способ пригоден для реализации системы управления трёхфазным тиристорным выпрямителем повышенной точности. Основной недостаток «задержек отведённых на обработку внутренних прерываний» устранён за счёт использования внешних прерываний при переходе фазного напряжения через нулевое значение.

Список литературы:

1. Нестерук В.Ф. Моделирование периферийного оборудования в интегрированной среде разработки Proteus : учеб. пособие / В.Ф. Нестерук – Омск : ФГБОУ ВПО «ОмГТУ», 2014. – 67 с.
2. Гельман, М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие: в 3 ч. / М.В. Гельман. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. – Ч. 2. – 104 с. 3. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники.