Primena mikroprocesora u energetici - Digitalno ... · Trofazni tiristorski ispravlja č, α=100°, diskontinualni režim rada, potrošač ne podržava generatorski režim rada i

Primena mikroprocesora u energetici – Digitalno upravljanje tiristorskim ispravljačima

1

Primena mikroprocesora u energetici - Digitalno upravljanje mrežno komutovanim

trofaznim tiristorskim ispravljačima -

Primena mikroprocesora u energetici .........................................................................................1 1 Mrežno komutovani izvori jednosmernog napona .............................................................2

1.1. Punoupravljivi tiristorski ispravljači ..........................................................................2 1.1.1. Monofazni tiristorski ispravljač..........................................................................2 1.1.2. Trofazni šestopulsni tiristorski ispravljač...........................................................3

1.2. Princip rada trofaznog šestopulsnog tiristorskog ispravljača ....................................4 2 Mikroprocesorsko upravljanje tiristorskim ispravljačem...................................................7

2.1. Blok dijagram digitalno upravljanog tiristorskog ispravljača ....................................7 2.1.1. Sinhronizacija sa mrežom...................................................................................8 2.1.2. Kolo za paljenje tiristora...................................................................................10

2.2. Algoritam digitalnog upravljanja tiristorskim ispravljačem.....................................11 2.2.1. Šta je zadatak mikroprocesora pri upravljanju tiristorskim mostom ? .............11 2.2.2. Blok dijagram algoritma upravljanja uz promenu ugla paljenja svakih 2π.....12 2.2.3. Blok dijagram algoritma upravljanja uz promenu ugla paljenja svakih π/3.....13 2.2.4. Upotreba brojača za brojanje ugla alpha i ostalih vremena..............................15 2.2.5. Kombinacije za paljenje tiristora.....................................................................15 2.2.6. Primer zadavanja ugla alpha pomoću potenciometra ......................................16

Rev Date Originator Description X1 03/07/07 dr Darko Marcetic trofazni ispravljač, blok dijagram algoritma X1 03/06/08 dr Darko Marcetic trofazni ispravljač, blok dijagram algoritma


2

1 Mrežno komutovani izvori jednosmernog napona

Poluupravljivi i potpuno upravljivi mrežno komutovani ispravljači su dugo vremena bili jedina varijanta za dobijanje regulisanog jednosmernog napona iz mrežnog naizmeničnog napona. Danas kada kvalitet električne energije postaje sve aktuelnija tema, ovi ispravljači polako gube tržište usled: 1) visokog nivoa harmonijskog izobličenja koje unose u elektroenergetskoj mreži kao i 2) promene faktora snage u zavisnosti od režima rada (ugla paljenja). U novije uređaje manje snage koji moraju da zadovolje stroge norme i standarde po pitanju kvaliteta električne energije, često se ugrađuje PWM varijanta ispravljača, koja omogućuje kontrolu faktora snage i imaju povoljniji harmonijski sastav ulaznih struja. Ipak, cena i robusnost u radu tiristora su i dalje velike prednosti, tako da tiristorski ispravljači i danas ostaju bez konkurencije u industrijskim pogonima velikih snaga, kao i u pogonima u kojima kvalitet isporučene energije kao i kvalitet same regulacije momenta i brzine nisu od značaja.

1.1. Punoupravljivi tiristorski ispravljači

1.1.1. Monofazni tiristorski ispravljač Šema i tipični talasni oblici monofaznog punoupravljivog mosta (Single-phase full-wave full-controlled converter) dati su na slici 1.

Slika 1. Monofazni ispravljač u kontinualnom režimu rada.

Smatra se da je potrošač elektromotor, sa vremenskom konstantom (Ld/Rd) dovoljno velikom da obezbedi kontinualni režim rada (struja ne pada na nulu i bliska je konstantnoj vrednosti). Srednja vrednost izlaznog napona zavisi od ugla paljenja α.

απ

cos22 UUdc = , α∈[0, π].

Trenutna vrednost napona može biti i negativna, ali samo ako potrošač obezbedi pozitivan smer struje tako što prelazi u generatorski režim rada (kontra E kao na slici). Šema i tipični talasni oblici monofaznog punoupravljivog mosta pri punjenju akumulatorske baterije, dati su na slici 2. U ovoj primeni ispravljač radi u diskontinualnom režimu rada.

Slika 2. Monofazni ispravljač u diskontinualnom režimu rada.


3

Trenutna vrednost struje Srednja vrednost struje

⎪⎩

⎪⎨⎧

+<<

<<−

=απωβ

βωα

t

tR

Eui dd

,0

,

)()cos(cos

2

)(dsin)/(21)(d

212

αβπ

βαπ

ωω

πω

π

β

α

β

α

−−−=

=−

=−

= ∫∫

dd

p

d

p

d

sd

RE

RmU

tR

EtmUt

REu

I

1.1.2. Trofazni šestopulsni tiristorski ispravljač Šema trofaznog punoupravljivog mrežno komutovanog ispravljača data je na slici 3.

Slika 3. Trofazni punoupravljivi mrežno komutovani ispravljač.

Srednja vrednost izlaznog jednosmernog napona, u slučaju kontinualnog režima rada, iznosi

ααππ

cos34.2cos3

sin322 sssr

d UUU ≈= U nekim slučajevima je važno uzeti u obzir pad napona na transformatoru

πα dMAXc

sdoIXUU 3cos34.2 −=

Za uglove veće od 90 stepeni srednja vrednost napona može biti negativna, ali samo ako potrošač obezbedi pozitivan smer struje tako što prelazi u generatorski režim rada. Uobičajeno je da se ugao α meri od trenutka kada napon VAN (VR) postaje veće od VCN (VT), tj. od trenutka prolaska međufaznog napona VAC (VRT) kroz nulu u pozitivnom smeru. Paljenje odgovarajućeg para tiristora se vrši po isteku vremena α/ω, gde je ω frekvencija mreže. Paljenje ostalih tiristorskih parova se dalje pomera za π/3. Postoji dosta praktičnih problema vezanih za sinhronizaciju rada ispravljača sa mrežom, pogotovo u slučaju propada napona i promene frekvencije mreže.


4

1.2. Princip rada trofaznog šestopulsnog tiristorskog ispravljača

Na sledećoj slici je opisan način sinhronizacije rada trofaznog ispravljača sa mrežom. Dat je primer za ugao α=20° i kontinualni režim rada. Prikazani su fazni naponi mreže, znak međufaznog napona RT, sinhronizacioni impuls u trenutku pozitivnog prolaska RT (VAC) kroz nulu, šest trenutaka paljenja tiristorskih parova i oblik ulaznih faznih struja (struja tiristora).

L1-R L2-S L3-T

znak VRT

Prolaz (↑) kroz nulu VL1-L3

α=20°

2π/6 (3.33ms)

1 2 3 4 5 6

Va

IR

IS

IT

T1 T1 T2 T2

T3 T3 T4 T4

T6 T6 T5

6

Ulazni naponi

Napon na izlazu α=20°

Ulazne struje

T5

1

2

3

4

5

6 6

Slika 4. Trofazni tiristorski ispravljač, α=20° , kontinualni režim rada

U jednom periodu napona mreže postoje 6 trenutaka komutacije, redom obeleženi sa 1, 2, 3, 4, 5 i 6. Strelice ↑↓ na signalima napona faza obeležavaju trenutak i smer komutacije dva tiristora. Na primer, u trenutku 1 (zakašnjen za vreme α/ω u odnosu na prolazak kroz nulu napona VRT), T5 se gasi i struju preuzima T1 (napon gornje šine DC kola prelazi sa T faze na R fazu). U trenutku 2, ukida se impuls za T4 a postavlja za T6 koji preuzima struju (ujedno napon donje šine DC kola prelazi sa S faze na T fazu). Da bi se stvar uprostila, smatramo da se komutacija dva tranzistora dešava trenutno.


5

Na sledećoj slici je opisan rad trofaznog ispravljača za α=100° pri kontinualnom režimu rada i sa potrošačem u generatorskom režimu. Prikazani su fazni naponi mreže, znak međufaznog napona RT, sinhronizacioni impuls u trenutku pozitivnog prolaska RT (VAC) kroz nulu, šest trenutaka paljenja tiristorskih parova i oblik ulaznih faznih struja (struja tiristora).

R S T

znak VRT

Prolaz (↑) kroz nulu VRT

α=100°

π/6 (3.33ms) 1 2 3 4 4 5

Va

IR

IS

IT

T1 T1 T2

T3 T3 T4 T4

T6 T6 T5

6

Ulazni naponi


Ulazne struje

T5

T2 T2

T3

1

2

3

4 4

5

6

Slika 5. Trofazni tiristorski ispravljač, α=100° , kontinualni režim rada, potrošač ulazi u generatorski režim

rada i pri negativnom naponu mosta uspeva da zadrži pozitivan smer struje.


6

Na sledećoj slici je opisan rad ispravljača za α=100° pri diskontinualnoj struji potrošača.Prikazani su fazni naponi mreže, znak međufaznog napona RT, sinhronizacioni impuls u trenutku pozitivnog prolaska RT (VAC) kroz nulu, šest trenutaka paljenja tiristorskih parova i oblik ulaznih faznih struja (struja tiristora).

R S T

znak VRT

Prolaz (↑) kroz nulu VRT

α=100°

π/6 (3.33ms) 1 2 3 4 4 5

Va

IR

IS

IT

T1 T1 T2

T3 T3 T4 T4

T6 T6 T5

6

Ulazni naponi


Ulazne struje

T5

T2 T2

T3

1

2

3

4 4

5

6

Slika 6. Trofazni tiristorski ispravljač, α=100° , diskontinualni režim rada, potrošač ne podržava

generatorski režim rada i tiristori se gase sa promenom znaka struje.


7

2 Mikroprocesorsko upravljanje tiristorskim ispravljačem

2.1. Blok dijagram digitalno upravljanog tiristorskog ispravljača

Blok dijagram digitalno regulisanog trofaznog tiristorskog ispravljača je dat na sledećoj slici.

3f∼

Regulisani ispravljač

RE0 RE1 RE2 RE3 RE4 RE5

Optičkoodvajanje

Optičko odvajanje i pojačanje

pojačanje Signal struje motora

Signal napona motora

AN1

Paljenje T1,T3,T5

Encoder receiver Odvajanje i prilagođenje naponski nivoa

LEM

QEA QEB

ATX ARX

dsPIC 4011

Serial driver

Signali paljenja X 6

Enkoder A Enkoder B

komparator FLTA

AN0

IMAX

trafo ~380V/~9V

Reg. napona

VSS VDD

OSC1 OSC2

OSC

DCM R1

R2

enkoder

Paljenje T2

Paljenje T4

Paljenje T6

trafo

~380V/~9V 4 sekundara

Napon za paljenje T1, T3, T5 Napon za paljenje T2 Napon za paljenje T4 Napon za paljenje T6

EXTINT X ?

Ploča za sinhroniz.

/

Sinc. signali X ?

T1 T3 T5

T2 T4 T6

AN2 POT

VDD

Slika 7. Blok dijagram regulisanog jednosmernog pogona sa tiristorskim ispravljačem.

Osnovni blokovi:

1. Trofazni ispravljač i potrebna prilagodna kola. Transformator sa najmanje četiri sekundara je neophodan za galvansko odvajanje i pojačanje impulsa za paljenje šest tiristora u ovoj konfiguraciji. Tiristori T1,T3 i T5 poseduju povezane katode i mogu biti napajani iz jednog sekundara. Za ostale tiristore je potrebno posebno napajanje, koje se galvanski povezuje sa katodom odgovarajućeg tiristora. Mikroprocesor je odvojen od upravljačkih kola primenom optičke izolacije. Alternativno rešenje koje izbegava upotrebu transformatora sa više sekundara je primena impulsnih transformatora.

2. Mikroprocesor i potrebna okolna kola. Potrebno je obezbediti stabilno jednosmerno napajanje (VDD) primenom regulatora napona kao i stabilan rada unutrašnjeg oscilatornog kola (clock generatora) dodavanjem potrebnih spoljnih elemenata (kristal i par kondenzator).

3. Kolo za sinhronizaciju Ispravljač je mrežno komutovan i impulse za paljenje tiristora treba zadavati u vremenskim trenucima definisanim relativno u odnosu na mrežu. Neophodno je detektovati jedan ili više trenutaka prolaska faznih/međufaznih napona kroz nulu i sinhronizovati rad mikroprocesora.

4. Merni blok. Uobičajeno je meriti napon i struju, kao i brzinu motora. Merenje izlaznog napona u slučaju precizne regulacije. Merenje struje radi zaštite i moguće regulacije. Signali su


8

uglavnom analogni i neophodno ih je galvanski odvojiti i prilagoditi ulazu A/D konvertora. Merenje brzine motora, radi regulacije i zaštite.

5. Serijski pojačavač. U slučaju serijske veze sa nadređenim uređajem neophodno je primenom serijskog drajvera prilagoditi izlaz i ulaz mikroprocesora potrebama serijskog protokola.

Zadaci mikroprocesora:

1. Sinhronizacija sa mrežom ispravljač je mrežno komutovan, brojačke module koji mere vreme α/ω treba resetovati i pokretati u skladu sa prolaskom kroz nulu napona mreže.

2. Akvizicija podataka. Odbirke izlaznog napona, izlazne struje i brzine motora treba uzimati u skladu sa periodom odabiranja digitalnog dela sistema. U slučaju trofaznog mosta ova perioda je 3.33ms , tačnije π/(3ω).

3. Zaštita pogona Rad pogona je neophodno zaustaviti u slučaju prekomerne struje, brzine, u slučaju greške u naponu jednosmernog kola, prevelike temperature mosta ili motora.

4. Izvršenje digitalnog zakona upravljanja Ukoliko se reguliše struja, svakih 3.33ms neophodno je odabrati struju, izračunati izlaz digitalnog zakona upravljanja strujom i zadati novi ugao α. U slučaju prostog zadavanja nove vrednosti izlaznog napona moguće je ugao menjati jednom u periodi mrežnog napona,

5. Komunikacija sa spoljnim svetom. Na slici je prikazana serijska veza koja omogućuje prihvatanje komandnih signala, slanje izveštaja i prikupljenih podataka. Komandni signali se mogu zadavati i lokalno, primenom tastera i/ili potenciometra!

6. Svetlosna signalizacija. Grupa LED, mogu signalizirati napon na izlazu (rad), , grešku, tačan ili netačan raspored faza na ulazu, itd.

Izbor mikrokontrolera:

1. PWM jedinica sada nije neophodna. 2. Dovoljan broj spoljnih prekida Rad treba sinhronizovati sa mrežom, svakih 20 ms, ili svakih

3.33ms u slučaju primene svih šest prolazaka kroz nulu. Broj spoljnih prekida može biti od jedan do šest, u zavisnosti od algoritma. Procesor mora da podržava sve ove prekide.

3. Dovoljan broj brojačkih modula Upravljanje tiristorskim ispravljačem se vrši nizom vremenskih kašnjenja, koja se u zavisnosti od ugla α relativno pomeraju u odnosu na mrežu.

2.1.1. Sinhronizacija sa mrežom

Uloga ovog kola je da generiše impulse koji će se iskoristiti za sinhronizaciju rada mikrokontrolera sa mrežom, ali i da pri tom obezbedi galvansko odvajanje mikrokontrolera od mreže sa njegove ulazne strane. Naponski nivo izlaznog impulsa je prilagođen digitalnom ulazu mikrokontrolera i služi za generisanje spoljnog prekida. Iako je ugao paljenja α kod ispravljača definisan u odnosu na prolazak međufaznog napona kroz nulu, sinhronizaciju sa mrežom je moguće vršiti u odnosu na pozitivan prolazak kroz nulu međufaznog, ali i faznog napona. Ukoliko se na ulaz ovog kola dovede fazni napon,. neophodno je predvideti dodatnih 30° kašenjenja pre uključenja prve kombinacije tiristora. Slika 8a prikazuje osnovne principe generisanja sinhro impulsa. Napon mreže na koji se želimo sinhronizovati neophodno je sniziti na prihvatljivi naponski nivo. Za to se može koristiti otpornički razdelnik ili odvojni signalni transformator koji ujedno i smanjuje amplitudu signala na sekundaru. Poređenjem prostoperiodičnog napona mreže sa nulom dobijamo povorku pravougaonih signala. Pozitivna i negativna ivica ovog signala nose informaciju o trenutku prelaska ovog signala kroz nulu i njih treba izdvojiti primenem kola za diferenciranje impulsa (u prostom slučaju koristi se CR kolo). Ovi impulsi služe za generisanje spoljnog prekida i sinhronizaciju rada mikroprocesora sa mrežom.


9

+ Komp.

-

Faza L1 Diferencijator

↑

Diferencijator ↓

dsPIC

GPIO1

GPIO2

Slika 8a. Kolo za sinhronizaciju sa mrežom, jedna faza –idejna šema.

Detaljnija šema kola za generisanje sinhro impulsa u trenucima prolaska kroz nulu jednog faznog napona data je na sledećoj slici.

VCC=12V

R51K

R7470

R8 D4

VCC=5V

R1039K

SR1D6

5 6C

1/6 IC5

9 8D

1/6 IC5

100K

C16n8

3 4B

1/6 IC5

11 10E

1/6 IC5

RH 11A1IC2VCC=7.5V

RF1

470K

DIODE - 1N4148

FAZA R

R1560K

R28K2

R38K2

D1 D2

MR4

12K

3

2 1

4

11

A

1/4 LM324D3

T1BC 108A R6

56K C26n8

R9100K

D5

1 2A

1/6 IC5

IC5 = 40106D7

VCC=5V

SR2

SR3

R1139K

-VCC=7.5V

Slika 8b. Kolo za sinhronizaciju sa mrežom, jedna faza –detaljna šema. Kolo za sinhronizaciju se može podeliti na dva dela koji su galvanski odvojeni pomoću optokaplera. Sa mrežne strane optokaplera nalazi se kolo za detekciju u ovom slučaju prolaza faznog napona kroz nulu. Sa niskonaponske strane optokaplera je kolo za uobličavanje sinhro impulsa. Prvo se vrši poređenje (komparacija) razdeljenog faznog napona sa nulom. Slično bi bilo i za slučaj odabranog međufaznog napona. Za komparaciju je odabran operacioni pojačavač LM324, u spoju invertujućeg komparatora sa histerezisom. Veličina histerezisa se može podešavati otpornikom RF1 u povratnoj sprezi. Odabrana vrednost RF1 =470k se pokazuje dovoljno velika i ostavlja relativno mali ali dovoljan prozor histerezisa za eliminaciju uticaja eventualnih smetnji. Na komparator se dovodi umanjen fazni napon (umanjenje oko 70 puta, preko razdelnika koji čine otpornici R1 i R2). Radi zaštite OP-a od mogućih prenapona na invertujućem ulazu, stavljene su diode D1 i D2. Otpornik R3 eliminiše nesimetriju ulaznih struja i vrednost mu je ista kao i otpornika R2 Na izlaz operacionog pojaćavača je priključen NPN tranzistor T1 koji pojačava strujni signal pre ulaza u optokapler. U zavisnosti da li je fazni napon veći ili manji od nule, T1 je zakočen ili vodi. Kada T1 vodi, kroz LED optokaplera prolazi struja, emituje se svetlost i uključuje se izlazni foto tranzistor. U obrnutom slučaju foto transistor je isključen. Ovim je signal prenet ka galvanski izolovanom delu kola za sinhronizaciju. U slučaju prisustva simetričnog mrežnog napona, na izlazu optokaplera se pojavljuju pravougaoni impulsi amplitude 5V, periode mreže (∼20ms) i faktora ispune 0.5. Ovi impulsi se dalje uobličavaju upotrebom CMOS invertora i kvazidiferencijatora (CR kola). Na izlazu SR1 dobijaju se kratkotrajni impulsi ka masi i to u trenucima prolaza faznog napona kroz nulu sa pozitivnih na negativne vrednosti, (prolaz na dole), a na izlazu SR3 isti takvi impulsi, ali pomereni za 10ms, u trenucima prolaza napona kroz nulu u pozitivnom smeru. Signal na izlazu SR2 je logički isti kao i signal na izlazu kolektora tranzistora optokaplera (dva puta invertovan), ali je sa jasno definisanim ivicama i time prilagođen ulazima mikroprocesora. Izlaz SR2 nije sinhro impuls ali može da posluži za detekciju poluperiode. Jednosmerno napajanje sinho pločice su: 1) iz posebnog sekundara se dovodi napajanje LM324 koje je dvostrano ±7.5V kao i 2) napajanje optokaplera sa mrežne strane koje je jednostrano i iznosi 12V, sa 3) izolovane strane optokaplera može se koristiti napajanje mikroprocesora (5V). Na sledećoj slici dati su naponski signali sinhro impulsa.


10

SR1

SR2

SR3

5V

GND

5V

GND

5V

GND

FAZA T

FAZA R

FAZA S

Slika 9. Signali na izlazu kola za sinhronizaciju, za fazu R. Prikazani su A) naponi faza B) Izlaz SR1 - sinhronizacioni impuls za negativan prolazak kroz nulu, B) Izlaz SR2 - Znak napona C) Izlaz SR3 -

sinhronizacioni impuls za pozitivan prolazak kroz nulu.

2.1.2. Kolo za paljenje tiristora

Uloga ovog kola je da pojača impulse za paljenje tiristora i izvrši njihovo okidanje. Kolo se napaja iz posebnog sekundara neregulisanim jednosmernim naponom i obezbeđuje galvansko odvajanje mikrokontrolera od energetskog dela, koji mora biti polarizovan u odnosu na katodu tiristora koji uključuje.

R156K

VCC=5VVCC=5VVCC=5V

RH 11A1

R3330 IC10

R5

2K2

2N 2904A

R668K

T10n

1N4004

C1220u

sec.n 220V

SCRn Gn

Kn

n

n

R7

1KR8100K

R456K

R2

15K

T4BC 108A

1 2

A

IC940106

Slika 10. Kolo za paljenje jednog tiristora (active low)– odvajanje i pojačanje signala za gate.

Kolo se može podeliti na dva dela koja su galvanski odvojena optokaplerima. Sa niskonaponske strane se nalazi kolo za pojačavanje impulsa koji dolaze sa strane mikrokontrolera. Sa tiristorske strane je okidačko kolo tiristora sa diodom i filtarskim kondenzatorom za napajanje okidačkog kola. Da bi se obezbedila active low logika (uključenje na logičku nulu) signal sa mikrokontrolera se dovodi na CMOS invertor. Signal se dalje pojačava sa NPN tranzistorom koji obezbeđuje dovoljno struje za rad optokaplera (za LED je potrebno 10 mA, izlaz mikroprocesora daje uobičajeno do 1mA). Struja kroz tranzistor i optokapler de definiše sa otpornikom R3. Sa druge (izolovane) strane optokaplera, struja se dalje pojačava PNP tranzistorom sa čijeg kolektora se, preko otpornika R7, uzima se signal za okidanje tiristora. Ako tranzistor u optokapleru vodi, vodi i tranzistor T10 tako da se gejt tiristora napaja strujom od oko 15 mA koja je određena otpornikom R7, što je dovoljno za uključenje tiristora. Otpornik R8 služi da uzemlji upravljačku elektrodu tiristora kada PNP tranzistor ne vodi i eliminiše uticaj šuma. Napajanje ovih pločiva je prosto, ostvareno je pomoću jednog od sekundara transformatora i ispravljača sa kapacitivnim filtrom koji čine dioda D1 i elektrolitski kondenzator C1. U trofaznom ispravljaču mora da postoji šest ovakvih kola. Tri kola imaju nezavisne sekundare i napajanja dok preostala tri (gornji tiristori) možemo napajati jednim zajedničkim sekundarom i jednim napajanjem .Razlog za ovu moguću uštedu su galvanski spojene katode gornja tri tiristora.


11

2.2. Algoritam digitalnog upravljanja tiristorskim ispravljačem

2.2.1. Šta je zadatak mikroprocesora pri upravljanju tiristorskim mostom ?

U vremenskim oblicima izlaznog napona trofaznog punoupravljivog ispravljača (slike 4- 6) se uočavaju dve osnovne periode, obe usko vezane za frekvenciju mreže − ω, 1) perioda mrežnog napona → 2π/ω i 2) šestina periode mrežnog napona → π/(3ω). Ukoliko želimo sporo promenljivu regulaciju izlaznog napona, bez precizne regulacije struje, dovoljno je ugao α definisati jednom u periodi napona mreže i zadržati tu vrednost tokom cele te periode. Tada je moguće sinhronizovati brojač mikroprocesora sa pozitivnim prolaskom međufaznog napona VAC kroz nulu, zatim odbrojati potrebno vreme α/ω i uključiti prvu kombinaciju tiristora. Nakon ovog uključenja treba sve ostale komutacije tiristora prosto zakasniti za π/(3ω) (∼3.333 ms) u odnosu na ovu prvu. Ovim se dobija nedeljivi period od 2π/ω i ugao α nije moguće menjati u okviru tog perioda. Ukoliko se zahteva dobra regulacija struje i momenta (primeni u jednosmernim pogonima) gornje rešenje u kome se napon reguliše u 2π/ω (∼20ms) intervalima nije dovoljno dobro. Sada je potrebno iskoristiti mogućnost promene ugla svakih π/(3ω) (∼3.333 ms) koja bi znatno umanjila strujni ripple. Mada, često ni ova perioda nije dovoljno mala i to je jedan od razloga što tiristorski upravljani pogoni nemaju dobru dinamiku. Kako sve ovo pomenuto ostvariti? • Ispravljač je mrežno komutovan i neophodno je sinhronizovati impulse za paljenje tiristora sa

mrežom. o Sa stanovišta potrebne matematike najlakša je sinhronizacija sa međufaznim naponima o Sa stanovišta potrebnog hardvera, najlakša je sinhronizacija sa faznim naponima

Obe varijante rade, u drugoj je neophodno uključiti dodatnih 30° u proračun vremena paljenja (ugao α je definisan u odnosu na pozitivan prolaz međufaznog , ne faznog napona!).

• Ukoliko se ugao α računa samo jednom u periodi mreže, o Ugao ALPHA merimo jednim sistemski brojačem relativno u odnosu na pozitivan

prolazak međufaznog napona AB kroz nulu o Nakon isteka vremena koje odgovara uglu α (Tα=α/ω), uključujemo kombinaciju tiristora

T1, T4=ON T2, T3,T5,T6 =OFF o Pored uključenja prve kombinacije, mi i startujemo drugi brojač koji broji Tmreže/6 =

(2π/6)/ω= 3.33 ms. o U pet narednih ulazaka u prekid ovog brojača menjamo preostalih 5 kombinacija za

uključenje šest tiristora u mostu (poglavlje 2.2.5). • Ukoliko se ugao α računa i menja šest puta u periodi mreže. Ovo je bolja varijanta, maksimalno

se koristi konfiguracija trofaznog ispravljača koja dozvoljava promenu ugao α svakih 3.33ms. U ovom slučaju je neophodno dodatno poboljšati algoritam .Ovo je moguće na dva načina

o Vršimo sinhronizaciju sa mrežom samo jedan put u periodi, na primer za pozitivan prelazak napona VAC kroz nulu. Po ulasku u ovaj spoljni sinhro prekid startujemo prvi put timer za brojanje ugla α. Ovo vreme će biti u skladu sa novom vrednošću zadatog ugla α. U ostalih pet trenutaka u toku jedne periode mreže promena ugla α se uvažava relativnom promenom perioda Tmreže/6 = 3.33 ms. Na primer, kada timer odbroji vreme proporcionalnu uglu α (Tα=α/ω) i startuje prvu kombinaciju tiristora mi ujedno i čitamo zadati ugao α i računamo vreme do nove kombinacije tiristora kao

Tmreže/6+ αNOVO- αSTARO. Ovim uvažavamo eventualnu promenu zadatog ugla α. Ukoliko se zadati ugao nije promenio, interval će ostati Tmreže/6. Ukoliko je došlo do promene interval se skraćuje ili produžava, u zavisnosti šta nam treba. I tako preostalih pet intervala. Ovo rešenje je data u vidu blok dijagram algoritma u poglavlju 2.2.3.

o Možemo vršimo sinhronizaciju sa mrežom šest puta u toku periode, na svaki pozitivan i negativan prolazak međufaznih napona kroz nulu. Posle svakog prolaska mikroprocesor dobija spoljašnji prekid i startuje timer za brojanje ugla α. Kada se brojanje završi, menja se kombinacija paljenja tiristora. Usled mogućeg preklapanja za veće uglove α, neophodno je barem tri brojačka modula rezervisati za brojanje ugla α.


12

2.2.2. Blok dijagram algoritma upravljanja uz promenu ugla paljenja svakih 2π

Sledeća realizacija predviđa promenu ugla paljenja jednom u toku periode mrežnog napona. Koristi se jedan spoljni prekid i jedan brojački modul.

Start

glavnog prg.

Inicijalizacija programski promenjivih

Inicijalizacija 6 GPIO pinova za paljenje 1) upis neaktivnog stanja (0 ili 1) 2) selekcija GPIO (ako je mux) 3) izbor smera –izlaz (out)

Inicijalizacija Timer 1 1) clock divider 2) Dozvola prekida Timer 1 3) Dozvola rada stop !

(zasad neka ne broji)

Ostale aktivnosti u toku osnovne petlje (main loop). Rad sa raznim IO (display, ser. comm, tasteri..)

Spoljni prekid

Dozvoli sledeći prekid

PREKID_T1_BR=0

PERIOD_MREZE = TIMER3_CNT

Čitanje novog ugla alpha

Return

TIMER1_PER = VREME_ALPHA

Timer 1 start



Inicijalizacija spoljnog prekida 1) koji GPIO ? 2) prekid na ivicu ili nivo ? 3) dozvola prekida.

TIMER3_PER=VREME_30ms

PERIOD_SESTINA = PERIODA_MREZE / 6

Timer 3 start

Prekid Timer 1


PREKID_T1_BR++

COMB = KOMBINACIJA (PREKID_T1_BR)

GPIO_BITS_0_5= COMB

PREKID_T1_BR = 6 ?

NO YES

TIMER1_PER = PERIOD_SESTINA

Timer 1 start

Return

Slika 11. Uprošćen blok dijagram algoritma upravljanja tiristorskim mostom

Ovaj blok dijagram algoritma je dat kao jednostavan primer. Algoritam je prost i predviđa generisanje impulsa paljenja korišćenjem samo Timer 1 brojačkog modula. Timer 1 se koristi a) za merenje vremena Tα=α/ω (vremena od sinhro impulsa do trenutka paljenja prve kombinacije), b) i za merenje preostalih pet ekvidistantnih intervala između trenutaka u kojima se menja izlazna kombinacija impulsa paljenja. Ovo uprošćenje ujedno predstavlja i limitirajući faktor ovog algoritma. Šema radi samo za uglove alpha do 60°. Ukoliko je ugao α veći od 60°, Timer 1 neće stići da odbroji poslednji interval (između petog i šestog impulsa) i biće ponovo inicijalizovan u novodošlom spoljnom prekidu. Ovim se ne generiše poslednji prekid prethodne periode, i startom nove periode biće ‘progutana’ zadnja kombinacija paljenja tiristora za prethodnu periodu. U spoljnom prekidu, postoje blokovi naznačeni isprekidanim linijama. Ovaj deo blok dijagrama predstavlja funkciju koja nije neophodna, ali može znatno poboljšati upravljanje trofaznim ispravljačem. Ona vrši korekciju Tmreže/6 ∼3.333ms intervala u slučaju varijacije frekvencije mreže.


13

Ukoliko je mreža kruta, frekvencije uvek bliske 50Hz, ovaj deo kôda nije potreban, kao ni sam Timer 3, i dovoljno je upisati konstantnu vrednost u promenjivu PERIOD_SESTINA = VREME_3_33ms (VREME_3_33ms =0.03333⋅ fclk , fclk – takt brojačkog modula nakon preskaliranja).

2.2.3. Blok dijagram algoritma upravljanja uz promenu ugla paljenja svakih π/3

Hajde da probamo rešiti sve probleme algoritma iz prethodnog poglavlja.

1) Uveli smo dodatni timer (Timer 2) koji meri pet preostalih trenutaka paljenja i time oslobađa Timer 1 za merenje novog ugla, koji je sada rasterećen i može sa novodošlim spoljnim prekidom ponovo da broji vreme do prvog trenutka komutacije.

2) Da bi ostvarili komandovanje uglom alpha svakih π/3 mi uvodimo skeniranje komande ugla alpha u svakom prekidu. Kako spoljnom , tako i Timer 1 i Timer 2 prekidima. U spoljnom prekidu novi ugao alpha se direktno postavlja u Timer 1. U prekidima Timer 1 i Timer 2 se razlika između novog i starog ugla koristi za korekciju π/3 intervala i time se reaguje na promenu ugla alpha .

Start

glavnog prg.

Inicijalizacija programski promenjivih

Inicijalizacija 6 GPIO pinova za paljenje 1) upis neaktivnog stanja (0 ili 1) 2) selekcija GPIO (ako je mux) 3) izbor smera –izlaz (out)

Inicijalizacija Timer 1.Timer2 1) clock divider 2) Dozvola prekida Timer 1 ,Timer2 3) Dozvola rada oba stop !

(zasad neka ne broje)

Ostale aktivnosti u toku osnovne petlje (main loop). Rad sa raznim IO (display, ser. comm, tasteri..)

Spoljni prekid


PERIOD_MREZE = TIMER3_CNT

Return

TIMER1 PER = Tα

Timer 1 start



Inicijalizacija spoljnog prekida 1) koji GPIO ? 2) prekid na ivicu ili nivo ? 3) dozvola prekida.

TIMER3_PER=VREME_30ms

PERIOD_SESTINA = PERIODA_MREZE / 6

Timer 3 start

Tα = Čitanje ugla alpha

Slika 12a. Blok dijagram algoritma upravljanja tiristorskim mostom – osnovna petlja i spoljni prekid


14

PREKID_T2_BR=0

Prekid Timer 1


COMB = KOMBINACIJA (0)

GPIO_BITS_0_5= COMB

PREKID_T2_BR = 5 ?

NO YES

TIMER2_PER = PERIOD_SESTINA+ Tα_new - Tα_old

Timer 2 start Return

Tα_old = Tα_new


Timer 2 start

Prekid Timer 2


PREKID_T2_BR++

COMB = KOMBINACIJA (PREKID_T2_BR)

Tα_old = Tα_new


Return

TIMER2_PER = PERIOD_SESTINA+ Tα_new - Tα_old

Slika 12b. Blok dijagram algoritma upravljanja tiristorskim mostom – Timer1 i Timer 2 prekidi.

Rad pojedinih brojača je ilustrovan na sledećoj slici.

TIMER 1

TIMER 2

1 2 3 4 5 6

Spoljni prekid

Tα

Tm/6 Tm/6 Tm/6 Tm/6 Tm/6

Tα

Spoljni prekid (nova perioda)

TIMER 3 Tm

t

Tm/6

Slika 13. Zauzetost pojedinih sistemskih brojača prilikom izvršenja programa.


15

2.2.4. Upotreba brojača za brojanje ugla alpha i ostalih vremena

Sva vremena koja treba računati u ovoj aplikaciji nisu veća od 20ms. Za brojanje koristimo brojače mikroprocesora. Ukoliko bi usvojili delitelj frekvencije za korišćene brojače jednak 1, brojači bi brojali brzinom sistemskog sata, 30MHz. Ukoliko želimo da brojač izbroji 20ms, trebalo bi u njegov period registar upisati TIMER_PERIOD = T[s]/Tclk[s] = 20ms/(30M)-1= 600 000. Ovo nije dobro, jer su naši brojački moduli su uglavnom 16-bitni i maksimalno broje do 216 -1= 65535. Neophodno je smanjiti clock naših brojača. Ako usvojimo delitelj frekvencije 16:1 dobijamo TIMER_PERIOD = T[s]/Tclk[s]/16 = 20ms/(30M/16)-1= 37 500. Super, malo smo izgubili na preciznosti ali sada ne moramo da brinemo da li imamo dovoljno bitova u registrima brojača.

2.2.5. Kombinacije za paljenje tiristora

Svakih π/3 je neophodno menjati kombinaciju za paljenje tiristora. Ukoliko su kola za paljenje tiristorska povezana sa izlazima dsPIC na sledeći način RE0→ T1, RE1→ T2, RE2→ T3, RE3→ T4, RE4→ T5, RE5→ T6, tada je potrebno postaviti sledeće kombinacije na izlazni port RE.

GPIO Izlaz α α+π/3 α+2π/3 α+π α+4π/3 α+5π/3 RE5 (T6) 0 1 1 0 0 0 RE4 (T5) 0 0 0 0 1 1 RE3 (T4) 1 0 0 0 0 1 RE2 (T3) 0 0 1 1 0 0 RE1 (T2) 0 0 0 1 1 0 RE0 (T1) 1 1 0 0 0 0 Ukupna komb. 0x09 0x21 0x24 0x06 0x12 0x18

Ugao aktivacije kombinacije iz tabele se računa od trenutka pozitivnog prolaska kroz nulu međufaznog napona AC. Praktično, prvu kombinaciju treba postaviti u prekidu Timer1, ostale sukcesivno u prekidu Timer2 (blok dijagram na slici 12b) U programskom jeziku C, sve kombinacije je moguće staviti u jedan konstantan niz. .const int KOMBINACIJA[6] = {0x09, 0x21,0x24,0x06,0x12,0x18}; Prilikom postavljanja nove kombinacije za paljenje tiristora, treba uzeti u obzir da mi želimo promeniti stanje samo šest izlaza, dok stanja ostalih izlaza na portu RE ne želimo da diramo. Da bi to uradili , neophodna je sledeća instrukcija maskiranja bitova. comb = KOMBINACIJA[++i]; port_ostali_bitovi =RE & 0xFFC0; RE = port_ostali_bitovi | comb; U ovom kôdu, prvo uvećavamo broj kombinacije za jedan, zatim čitamo niz i uzimamo novu kombinaciju za šest donjih bitova porta RE. Zatim, čitamo trenutno stanje porta RE i pamtimo ostale bitove, a prvih šest brišemo. Bitove ne brišemo na samom portu (RE zasad ostaje nepromenjen) nego u privremenoj varijabli port_ostali_bitovi. Konačno, pošto port_ostali_bitovi sadrži ostale bitove (6 pa nadalje) a naša comb sadrži prvih 6 bitova (0-5) mi treba samo da iskoristimo ILI operaciju nad bitovima. (u C jeziku & je AND operacija nad bitovima, | ja OR operacija nad bitovima.!)


16

2.2.6. Primer zadavanja ugla alpha pomoću potenciometra

Ugao α ima smisla zadavati u opsegu od 0° do 180°. Svaki ugao ima odgovarajuće vreme, Tα=α/ω, koje treba meriti brojačkim modulom. U slučaju učestanosti mreže 50Hz ovo vreme se menja od 0 do 10ms. Uz fclk =30MHz i delitelj frekvencije 16 , maksimalni broj koji treba upisati u brojač iznosi TIMER_PERIOD = T[s]/Tclk[s]/16 = 10ms/(30MHz/16)-1= 18 750. Ugao α zadajemo spolja, preko kliznog potenciometra. Na izlazu potenciometra dobija se napon u opsegu od 0 do 5V koji treba dalje obraditi AD konvertorom.

AD

dsPIC

1023 0

Period Timer1

18.3⋅ (1023-AD)

0 18750

5V

P

Potenciometrom se uglavnom zadaje izlazni napon regulatora a ne ugao α. Ovo znači da nizak napon na potenciometru treba pretvoriti u veliku vrednost ugla α , jer ona njemu odgovara. Isto važi i za vreme koje treba upisati u period registar brojačkog modula. Jednačina koju je moguće koristiti glasi VREME_ALPHA = (1023-ADC2 )*18.13 S obzirom da važi, 18.13 = 0.571875*32, u matematici sa nepokretnim zarezom moguće je koristiti sledeće VREME_ALPHA = ((1023-ADC2 )<<5) * FRAC1_15(0.571875) uz FRAC1_15(0.571875) = 18738 Broj za upis u brojač se sada može računati na sledeći način.

Komanda izlaznog napona ispravljača

Napon potenciometra

ADC rezultat Ugao α VREME_ALPHA (broj za upis u brojač)

0 0V 0 180 18720 (10ms) MAKSIMALNA 5V 1023 0 0

Documents

Primena mikroprocesora u energetici - Digitalno ... · Trofazni tiristorski ispravlja č, α=100°, diskontinualni režim rada, potrošač ne podržava generatorski režim rada i