СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
ПРОГРАММНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ
Б. П. Кузнецов, канд. техн. наук (НПО «Аврора»)
УДК 621.313.322.018.51:629.5
В современных судовых электроэнергетических установках (ЭЭУ) используются несколько электрогенераторов, в ряде случаев включаемых в режим параллельной работы, который, в свою очередь, требует сложной и ответственной операции — синхронизации [1]. Синхронизация выполняется как для уже работающего на нагрузку (основного) источника (электрогенератора), так и подключаемого после синхронизации к той же нагрузке. Суть процесса синхронизации состоит в том, чтобы выбрать момент включения генераторного автомата подключаемого источника, когда выполняется полное согласование по фазам обоих источников.
При включении судовых электрогенераторов на параллельную работу, существуют следующие условия синхронизации: равенство напряжений обоих источников — с допустимой разницей не более 10%; равенство частот — с допустимой разницей не более 0,6 Гц при частоте сети 50 Гц; равенство начальных углов сдвига фаз напряжений [1].
Возможна точная, грубая и самосинхронизация. В современных ЭЭУ используется точная синхронизация по заданному времени опережения (время между выдачей команды на включение генераторного автомата и моментом включения этого автомата.)
Точная синхронизация с постоянным временем опережения может быть выполнена обработкой сигнала напряжения биений или определением момента равенства разности фаз напряжений основного и подключаемого источников с заранее вычисленным значением [2]. В данной статье рассматривается второй метод.
Современные системы управления судовыми техническими средствами разрабатываются на покупной элементной базе агре-гатированных средств вычислительной техники. При этом разработчик вынужден считаться с недостатками отдельных элементов указанных средств. В частности, используемый в системах управления ЭЭУ ряд модулей аналого-цифрового преобразования (АЦП) по своим характеристикам не всегда позволяет применить известные алгоритмы программной синхронизации [2—4]. Кроме того, все функции управления, измерения и синхронизации с целью снижения себестоимости и повышения уровня унификации си-
стемы управления должны быть реализованы на одном и том же процессоре. Все это потребовало разработки нового подхода к программной синхронизации судовых электрогенераторов.
Рассмотрим реализацию точной синхронизации с постоянным временем опережения, базирующуюся на обработке непосредственно кривых напряжения основного и подключаемого источников, получаемых с АЦП, не имеющих встроенных генераторов-таймеров (рис. 1).
С)РЗ
Рис. 1. Структурная схема системы синхронизации: МАЦП — модуль аналого-цифрового преобразователя, МДВВ — модуль дискретного ввода—вывода; МВУ — модуль выходных усилителей; Тр — трансформатор, ПД — первичный двигатель; РЧ — регулятор частоты вращения двигателя; Г — электрогенератор; ОР — автоматический выключатель
Объект управления состоит из двух агрегатов — электрогенераторов, работающих от первичных двигателей, снабженных регуляторами частоты вращения, а также от трех автоматических выключателей, из которых при синхронизации управляется лишь один. Напряжение каждого генератора через трансформатор (Тр) поступает на вход нормализатора, обеспечивающего гальваническую развязку и понижение напряжения до уровня, контролируемого модулем АЦП, а также фильтрацию низкой частоты (начиная с десятой гармоники).
о
^Д
о
о
о о
1
о
5 Судостроение № 4, 2000 г.
ЭЛЕКТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
:УДОСТРОЕНИЕ 4'2000
Вычислительная часть представлена процессором, к шине внешних устройств которого подключены два модуля АЦП, модуль дискретного ввода —вывода (МДВВ) и таймер. Вход каждого АЦП соединен с выходом соответствующего нормализатора. Для управления подгонкой частоты [2] и управлением автоматическими выключателями выходы МДВВ связаны с выходными усилителями модуля выходных усилителей.
Процесс синхронизации может начаться в момент поступления в процессор извне команды на включение автомата, например ОР1, при замкнутых автоматах 0?2 и ОР3. При этом таймер настраивается на выдачу сигналов прерывания через один и тот же промежуток времени, называемый интервалом дискретизации [5]. Далее по каждому сигналу прерывания выдается команда на запуск процесса считывания сначала АЦП, обрабатывающего сигнал от основного источника, затем АЦП, обрабатывающего сигнал от подключаемого источника. После этого ожидается результат преобразования первого АЦП и считывается очередная точка синусоиды напряжения основного источника. Затем аналогично ожидается и считывается результат со второго АЦП. Таким образом обеспечивается псевдопараллельное (практически одновременное, с разницей в несколько микросекунд) считывание информации по двум каналам АЦП (рис. 2).
ления по программе синхронизации, в ходе которой выдаются команды на подгонку частоты подключаемого источника. В заключение процесса синхронизации выдается команда на включение автомата ОР1.
Значение частоты дискретизации АЦП играет решающую роль в определении алгоритмов вычисления частоты исследуемого синусоидального сигнала и фазового сдвига между двумя синусоидами (напряжения основного и подключаемого источников).
Введем некоторые понятия применительно к программной синхронизации источников электроэнергии. Дискретная последовательность отсчетов синусоидального напряжения приведена на рис. 3. Зафиксированной точкой перехода через ноль назовем такую точку отсчета с номером к на временной оси, слева от которой размещается точка, выборка
измеренного параметра в кото-
Рис. 2. Диаграмма опроса АЦП
В промежутках между указанными процессами прерываний выполняются описываемые далее вычис-
Рис. 3. Квантованный синусоидальный сигнал
рой противоположна по знаку выборке и^.
Переход через ноль будем считать положительным, если выборка ик > 0, и отрицательным в противном случае.
Высокой частотой дискретизации назовем такую частоту опроса АЦП, при которой интервал дискретизации At (см. рис. 3) не превышает заданную погрешность измерения периода синусоидального сигнала. При высокой частоте дискретизации период Т этого сигнала вычисляется элементарно: Т = МА^ где N — число интервалов дискретизации At между двумя ближайшими зафиксированными точками перехода через ноль с одинаковым знаком перехода.
Определим наименьшее значение высокой частоты дискретизации синусоидального сигнала напряжения сети 50 Гц, исходя из того, что погрешность А/ вычисления частоты не превосходит заданной величины 0,05 Гц, обеспечивающей указанную в техническом задании точность представления частоты оператору.
То есть | /г - / | < 0,05, где /г — реальная частота сигнала, / — вычисленная частота сигнала.
Полагая, что /г = 50,0 Гц; / = 1/(Тг + А) Тг = 1Д. = 0,020 с, можно записать /г - / = 50,0 - 1/(0,020 + А^ = 0,05. Решив последнее уравнение, получим значение интервала дискретизации At = 20 мкс. Это соответствует частоте дискретизации Рацп = 50 кГц, т. е. 1000 точек отсчета за период измеряемого синусоидального сигнала [2]. Частоту дискретизации больше 50 кГц будем называть высокой, а меньшие значения — низкими. Период и, соответственно, частота синусоидального сигнала при высокой частоте дискретизации определяются, как указано выше. Однако не все АЦП позволяют работать с такой высокой частотой дискретизации. Поэтому рассмотрим метод вычисления частоты измеряемого сигнала при низкой частоте дискретизации.
Низкая частота дискретизации не позволяет вычислять частоту описанным выше методом из-за высокой погрешности, тем большей, чем ниже частота дискретизации. В этом случае лучше использовать точное вычисление расчетных точек перехода синусоидального сигнала через ноль.
Диаграмма отсчетов синусоидального сигнала при низкой частоте дискретизации приведена на рис. 4. Области перехода синусоиды через
Рис. 4. Области переходов через ноль при низкой частоте дискретизации
ноль (Л, В, С) обведены кружками и показаны также укрупненно.
Рассмотрим область Л. Полагаем, с целью упрощения, что реальный синусоидальный сигнал в интервале между отсчетами ^ и С1 практически совпадает с прямой, соединяющей их вершины. Точку перехода через ноль такой прямой обозначим «0+» (положительный переход через ноль напряжения исто-
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
ЭЛЕКТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
чника). Аналогично можно получить точку в областях С и В, однако в области В точку отрицательного перехода через ноль обозначим «0-».
Рассчитаем временной интервал а^ и 03 от точки расчетного перехода через ноль до зафиксированной точки перехода через ноль в областях А и С соответственно (см. рис. 4):
а1 = At I с1 I / (I С! I + I Ь1 I) ; (1) а3 = At I c3I / (I с3! + I Ь3Ь . (2)
Дополнительно, для интервала ¿3 в области С от точки отсчета, предшествующей зафиксированной точке перехода через ноль, до расчетной точки перехода через ноль можно записать
¿3= А - а3.
(3)
Т = а1 + ¿3 + AtNo,
(4)
/ТТ7/Т 77ГТ ттг
0о+ 01 At d2 0р+ а2 d3 0о- а3 ^ d2 0р- а4
Рис. 5. Диаграмма переходов через ноль двух напряжений
ми и указаны расчетные точки положительного и отрицательного переходов через ноль основного 0о+ и 0о- и подключаемого 0р+ и 0р-источников. Разность фаз V вычисляется как временной интервал между соседними однонаправленными переходами через ноль: V = ^р+ -
или v = - Ьо- где ^о и ^р —
'0о и '0р ■
С учетом (1) и (3) период Т сигнала запишем в виде
где N3 — число целых интервалов дискретизации между первой точкой (область А) положительного перехода через ноль и точкой отсчета, предшествующей второй точке (область С) положительного перехода через ноль.
Частота F измеряемого сигнала обратно пропорциональна периоду Т. В некоторых случаях программа синхронизации может вычислять значение частоты по половине периода. Для этого можно воспользоваться формулой F = 1/(2 X Т2), где Т2 вычисляется по выражению
Т2 = а1 + ¿2 + А^ ^ ;
¿2 = At- а2 ; (5)
а2= At I с2 I / (I с2 I + I Ь2 I) ,
где N2 — число целых интервалов At между областями А и В (см. рис. 4).
Вычисление разности фаз напряжений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.