UDK 621.3:(53+54+621+66), ISSN 0352-9045 informacije MIDEM 19(1989)3, Ljubljana MIKROPROCESORSKO VODENI TRIFAZNI MOSTICNI USMERNIK M. Milanovič, K. Jezernik, M. Curkovič KLJUČNE BESEDE: usmerniki, usmerniki tiristorski, regulacije, regulacije mikroračunalniške POVZETEK: V članku bomo opisali vpeljavo mikroračunalnika v trifazni tiristorski mostični usmernik. V mikroračunalniku smo združili vse funkcije, kijih je prej izvajala konvencionalna elektronika. Vgrajenemu mikroračunalniku smo opredelili naslednje funkcije: regulacijo toka in napetosti, meritev toka in napetosti, proženje tiristorjev, vodenje nadzorov in zaščito, za potrebe optimizacije regulatorjev parametrov smo razvili matematični model celotnega procesa. Rezultate, dobljene s simulacijo, smo verificirali na realizirani napravi. MICROCOMPUTERS CONTROLLER FOR THREE-PHASE THYRISTOR CONVERTER KEYWORDS: DC-Converter, DC-thyristor converter, Control, Microcomputer control ABSTRACT: The paper describes the implementation of a microcomputer in a three-phase full wave thyristor converter. The microcomputer includes all the functions which were performed by conventional electronics: control of current and voltage, current and voltage measuring, thyristor firing, protection and supervision. Forthe optimization of control parameters the mathematical model was developed. The results we got with the simulation are verificated on the actual device. 1.UV0D V napravah energetske elektronike se vedno bolj uveljavljajo tudi nnikroračunalniki. Ti omogočajo boljšo povezavo med človekom in napravo, opravljajo vodenje naprave in povezujejo več naprav v sistem. Opravljajo tudi diagnostiko naprave, da se preprečijo okvare. Odločili smo se zgraditi trifazni tiristorski mostični mrežno vodeni usmernik, ki ga upravlja mikroračunalnik. Ta mikroračunalnik prioritetno opravlja regulacijo toka in napetosti, meritev toka in napetosti ter proženje tiristorjev, poleg tega pa opravlja še druge prej naštete funkcije. Naš usmernik je namenjen za uporabo v telekomunikacijskih napravah. Zato ima vgrajen tudi gladilni filter, ki pa zakomplicira regulacijsko progo. Usmernik napaja porabnike ali polni akumulatorske baterije. Glede na stanje baterije deluje kot tokovni ali napetostni generator. Torej potrebujemo regulacijo toka usmerni k nreza N in napetosti. Regulatorja sta paralelna, vendar nikoli ne delujeta sočasno. 2. SIMULACIJA USMERNIKA Za določanje parametrov tokovnega in napetostnega regulatorja smo razvili matematični model celotne regulacijske proge. Z njim smo si pomagali pri sintezi regulatorjev v diskretnem časovnem prostoru. Matematični model obsega mostič s tremi fazno premaknjenimi napajalnimi napetostmi, merilnik toka in napetosti in filter. Pri sami sintezi regulatorja vpeljemo dve poenostavitvi, s katerima si olajšamo nadaljnje delo. Usmerniški blok obravnavamo kot D/A pretvornik, ker nas v intervalu pretvorbe binarne informacije v analogno napetost zanima le srednja vrednost analogne napetosti. Podobno obravnavamo merilni blok kot AID pretvornik. Na vhod pripeljemo trenutno vrednost rnerjenega enosmerni porabnik ter L L X T Slika 1: usmernik z regulacijsko progo Us Ut Slika 2: Usmerniško vezje s filtrom signala, na izhodu pa dobimo po času otipavanja kvan-tizirano srednjo vrednost merjenega signala. S sliko 3 si lahko sedaj ponazorimo regulacijsko zanko za napetost. s.x(s) = A.x(s) + B.u(s) y(s) = c^x(s) Ur (k Ud (k t Slika 3: napetostna regulacijska zanka Usmernik je predstavljen z D/A pretvornikom, merilnik pa z A/D pretvornikom. Regulacijsko zanko lahko ponazorimo še s sliko 4. Iz sistema enačb izračunamo prenosno funkcijo G(s) v "s" prostoru: Slika 4: napetostna regulacijska zanka prirejena za analiz ov diskretnem prostoru Takšno regulacijsko zanko lahko sedaj obravnavamo v "z" prostoru, če preslikamo vanj prenosno funkcijo G(s) ter bloka D/A in A/D (L4). G(s) je prenosna funkcija zveznega sistema, ki jo lahko dobimo iz enačb stanja: X (t) = A x(t) + B u(t) y(t) = C^x(t) + Du(t) Za konkreten primer vzamemo enačbe stanj našega filtra, ki je vgrajen v usmerniku. Če pogledamo sliko 2, lahko zapišemo enačbe stanj: Če matriko D izenačimo z nič in naredimo Laplaceovo transformacijo sistema, dobimo: ^ = {Uc1-R2iL2-Uc2) dt Lz M.Milanovič et al.: Mikroprocesorsko vodeni trifazni... informacije MIDEM 19(1989)3, str. 135-140 duc-i _ 1 dt ci ducz _ dt C2 (/Il-'L2-) 1 ,. Uc2. Spremenljivke stanj so tokovi skozi induktivnosti in napetosti na kondenzatorjih. Enačbe zapišemo z matrikami: H J_ 0 1 dl S «2 1 dt ■" S (U 1_ 1 S 0 du ^ c2 0 , 1 dt ' V- J c2 0,0, O, 1 Ll L2 "cl c2 Vstavimo še vrednosti posameznih elementov (Ri=R2=10mi^, Li=L2=1mH, c1=c2=200000 jiF, Rbr=0,5) in dobimo prenosno funkcijo za napetostno regulacijsko zanko: G.{S)=^(S)=0,25.10^°. ta.a B -«.a MB.0 10.8 D -la.B m IZHODIW NÄl-'tJtlSl ^ (t.)' Clor 'J' C.;/i - IZriÜDNi« Ni^PCrUSf H JZMOD f^-D PKCIUÜPNJK^ J2H0D Djr rN(^CRC ^ ' A'i • C 5 'f'f ^H ^ *'' ' o iUi { i ->) 0C( k fj Prenosno funkcijo filtra Gu(s) in bloka D/A in A/D (slika 8) nato z metodo stopničaste invarijance preslikamo prek "z" prostora v "q" prostor. Narišemo Bodejev diagram, iz njega pa dobimo parametre regulatorja. Napetostni regulator sedaj zapišemo z diferencialno enačbo: au{k) = 0,5117.eu(k) + 0,3126.eu(k-1) + au(k-1) Rezultat simulacije so parametri regulatorjev za tok in napetost modela usmernika. Parametre skaliramo in jih direktno prenesemo na mikroračunalnik. Na sliki 5a in 5b so prikazani rezultati simulacije z izbranimi parametri regulatorja. Rezultati so pri skočni vzbujalni funkciji zadovoljivi, še ugodnejši pa so pri zvezni vzbujalni funkciji - rampi. Slika 5: a,b: simulacijski rezultati pri dveh različnih diskretnih regulatorjih 3. REALIZIRANI USMERNIK 3.1. Meritev toka In napetosti Ugotovili smo, da mora usmernik delovati kot tokovni ali napetostni generator, zato potrebujemo informacije o teh velikostih. Za regulacijo potrebujemo srednje vrednosti toka in napetosti, ki jih lahko dobimo iz izraza: ISR = T idt Torej moramo v določenem časovnem intervalu dobiti integral neke fizikalne veličine. Lahko bi ga realizirali z analognim integratorjem in analogno digitalnim pretvornikom. Izdelali smo merilnik z digitalnim integratorjem, ki ima nekatere prednosti. Informacije MIDEM 19(1989)3, str. 135-140 M.Milanovič et al.: Mikroprocesorsko vodeni trifazni... u -f Slika 6: principialno vezje vmesnika za proženje tiristorjev Osnova merilnika je napetostno frekvenčni pretvornik in binarni števec (L2). Vhod je napetost ali tok, izhod pa določeno število pulzov v časovnem intervalu. Binarni števec ima funkcijo integratorja. Prednosti takšnega merilnika so v enostavnejši in cenejši izvedbi, enostavnejši galvanski ločitvi močnostnega dela od mikroračunalnika, hkrati pa nam opravlja celotno meritev toka in napetosti kar mikroračunalnikova periferna enota. Zato meritev časovno ne obremenjuje samega mikroprocesorja. 3.2. Proženje tiristorjev Proženje je povezano s sinhronizacijo, ker nam sinhronizacija določa tiristor, ki prevaja. Za sinhronizacijo potrebujemo informacijo o prehodih medfaznih napetosti skozi ničelno lego ter o pozitivni in negativni polperiodi medfaznih napajalnih napetosti. Iz teh informacij določamo tiristor, ki dobi prožilni pu Iz (L1). Ta odločitev se ponavlja ob vsakem prehodu medfazne napajalne napetosti skozi ničelno lego. Poleg tega mora prožilna enota spremeniti informacijo o zamuditvi prožilnega pulza v ustrezen pulz. Prožilno enoto smo zgradili na osnovi programabilnega števca, ki smo ga uporabili za kvan-tizacijo časovne osi. jr > - bJ ~tiJ- L ! 1 n Slika 7: princip meritve toi