УДК 621.314

Разработка системы управления инвертором напряжения и ее применение на промышленном предприятии

Маслаков Максим Петрович – кандидат технических наук, доцент Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Лыков Олег Владимирович – магистрант Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Аннотация: В работе предлагается разработанная система управления инвертором напряжения, позволяющая реализовать способ управления освещенностью светильников местного освещения на промышленном предприятии с помощью широтно-импульсной модуляции. Для реализации поставленной задачи было принято решение производить программное получение широтно-импульсной модуляции и по разработанному алгоритму изменять скважность импульсов выходного напряжения. Совмещение схемы регулятора переменного напряжения и инвертора позволило получить высокую точность регулирования освещенности. Программная гибкость микроконтроллера позволяет производить автоматизацию различных технологических процессов и устройств на промышленном предприятии. Основная задача, которая была решена, это реализация способа управления освещенностью в помещении изменением скважности импульсов выходного напряжения, полученного с помощью программной широтно-импульсной модуляции по разработанному алгоритму. Компьютерные средства моделирования позволяют производить отладку разработанных схем, проверять разработанные алгоритмы и в конечном счете получать временные диаграммы. Технологический процесс по выпуску продукции на промышленном предприятии прерывать нельзя, значит необходимо предусмотреть возможность непрерывной работы оборудования, установок и приборов непосредственно участвующих в производстве продукции. Для решения этой задачи используются устройства, обеспечивающие стабильную, безотказную работу оборудования на предприятии, как правило, такие устройства содержат в своем составе инвертор напряжения. Для получения высоких характеристик такого инвертора, используют широтно-импульсную модуляцию. В работе предлагается разработанная принципиальная электрическая схема такого инвертора, разработанный алгоритм программного получения широтно-импульсного напряжения с помощью микроконтроллера, проведено моделирование разработанной схемы и получены результаты позволяющие говорить о высокой точности регулирования освещенности. Микроконтроллер позволит производить перепрограммирование системы, с целью ее усовершенствования и адаптации под конкретную задачу.

Ключевые слова: микроконтроллер, инвертор напряжения, оптрон, широтно-импульсная модуляция, транзистор, система управления, силовая часть.

Инверторы напряжения нашли широкое применение в преобразователях электрической энергии, разработанных для систем автоматического управления оборудованием на промышленном предприятии. Качество работы такого преобразователя во многом определяет характеристики самого оборудования, участвующего в технологическом процессе [1, 2].

Цель работы реализовать способ управления освещенностью с помощью изменения скважности между импульсами выходного напряжения.

Объектом исследования является система управления инвертором напряжения. Предметом исследования является автоматическое управление освещенностью в помещении предприятия с высокой точностью.

Задачи, которые было необходимо решить:

• разработать электрическую принципиальную схему системы управления инвертором напряжения;
• разработать алгоритм получения выходного напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции;
• изменяя скважность между импульсами выходного напряжения измерить освещенность в помещении и свести в таблицу результатов исследования.

Управление технологическим процессом должно производиться в автоматическом режиме, для решения этой задачи используется микроконтроллер, он является программно-управляемым, перепрограммируемым, а значит модернизация устройства содержащего в своем составе микроконтроллер может производиться программно, не прибегая к усложнению аппаратной части, включающей в себя дополнительные блоки и устройства [3-4].

Программный метод формирования широтно-импульсного напряжения позволяет получить коэффициент нелинейных искажений (КНИ) выходного напряжения инвертора не более 1,11%.

Положительная полуволна напряжения имеет длительность 0,01с, количество точек, градусов 180. Напряжение возрастает от 0В до 311В, затем уменьшается от 311В до 0В, значит достаточно рассмотреть участок от ее значения 0В до 311В, что соответствует количеству точек, градусов от 0 до 90, время от 0с до 5мс. Тогда длительность одной точки, градуса T, будет равна 55,55мкс, а число необходимых для описания синусоиды точек, градусов 90. Тогда если в каждой точке выводить импульс, ширина которого увеличивается пропорционально номеру точки, а значит амплитуде напряжения, увеличивается коэффициент заполнения точки. Необходимо получить коэффициент заполнения в первой точке 1,1%, во второй 2,2%, в третьей 3,3%, а в 90 точке 100% [5, 6].

На рисунке 1 - показана разработанная электрическая принципиальная схема системы управления инвертором напряжения, использующего предлагаемый программный способ получения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и реализующая управление освещенностью светильников местного освещения на предприятии.

Кнопка S1 включает систему, кнопки S2, S3 позволяют задавать оператору требуемую освещенность.

Датчик освещенности DD2 измеряет текущую освещенность в помещении и в виде восьми битного последовательного двоичного кода передает ее значение в микроконтроллер. Когда в помещении освещенность избыточна, превышает 300лк, код на выходе датчика DD2 равен 00H. При минимальной освещенности в помещении код на выходе датчика DD2 равен FFH. Таким образом, можно определить любое промежуточное значение освещенности в помещении.

Кнопками S2, S3 оператор может задать любое требуемое значение освещенности с шагом 1лк. Микроконтроллер переведет это значение в соответствии с разработанным алгоритмом в код от 0 до 255, после чего сравнит его с кодом, который пришел с датчика освещенности. В случае необходимости уменьшить освещенность в помещении, изменится скважность между импульсами выходного напряжения на 10мкс, что изменит среднее значение выходного напряжения инвертора на 1В, а освещенность в помещении на 1лк.

Рисунок 1. Разработанная электрическая принципиальная схема системы управления инвертором напряжения.

На рисунке 2 - представлен разработанный алгоритм формирования с помощью микроконтроллера высококачественной ШИМ.

Рисунок 2. Разработанный алгоритм.

Для того чтобы увеличить скважность между импульсами выходного напряжения инвертора определим время выполнения команды декремент для частоты тактовых импульсов 16МГЦ по формуле (1).

T = N / f_Т = 1 / (16 ∙ 10⁶) = 62,5 ∙ 10^-9 = 62,5нс (1)

Таким образом, в разработанном алгоритме для организации задержки 0,0625мкс необходимо выполнить декремент числа 01H, для организации задержки 0,4375мкс необходимо выполнить декремент числа 07H, для организации задержки 0,625мкс необходимо выполнить декремент числа 0AH.

Произведено моделирование разработанной схемы, временная диаграмма полученного напряжения широтно-импульсной модуляции на затворе транзистора VT1, через резистор R2 (красным цветом), на затворе транзистора VT2, через резистор R3 (синим цветом), показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Временная диаграмма полученного напряжения широтно-импульсной модуляции на VT1(красным цветом), на VT2 (синим цветом).

Полученное переменное напряжение на выходе инвертора напряжения показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Полученное переменное напряжение на выходе инвертора напряжения.

Изменение скважности между импульсами позволяет регулировать среднее значение напряжения на нагрузке, а значит освещенность в помещении. В таблицу 1 свели результаты исследования.

Таблица 1. Результаты исследования.

Предлагаемый способ получения ШИМ может найти широкое применение для обеспечения автоматического управления оборудованием на промышленном предприятии [7, 8]. Позволяет поддерживать оборудование в работоспособном состоянии, производить оперативное регулирование параметров технологического процесса [9, 10].

Разработанная система управления инвертором напряжения позволяет получать выходное переменное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции и автоматически регулировать освещенность в помещении предприятия изменением скважности между импульсами выходного напряжения.

Полученные результаты имеют как научный, так и практический интерес и могут быть использованы для разработки устройств, предназначенных для регулирования параметров различных технологических процессов на предприятии.

Список литературы

1. Александрова Е. В., Польшакова Н. В. Автоматизация производственных процессов. Теория и практика решения задач прикладной математики: Издательство: Бибком. – 2022. –192 с.
2. Шишов О. В. Программируемые контроллеры в системах промышленной автоматизации: Издательство: ИНФРА-М. – 2020. – 365 с.
3. Шельпяков А. Н. Автоматизированное управление технологическими системами и процессами: Издательство: Инфра-Инженерия. – 2022. – 160 с.
4. Жежера Н. И. Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов: Издательство: Инфра-Инженерия. – 2020. – 240 с.
5. Малюга В. В. Алгоритмизация проектирования технологических процессов: Издательство: Лань. – 2022. – 80 с.
6. Хазин М. Л. Надежность, оптимизация и диагностика автоматизированных систем: Издательство: Инфра-Инженерия. – 2022. – 248 с.
7. Kaniewski, J., P. Szczesniak, M. Jarnut and G. Benysek, 2015. Hybrid Voltage Sag/Swell Compensators: A Review of Hybrid AC/AC Converters. IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 9, No. 4: 37-40.
8. Makky, A.M., N.A. Ahmed and E.H. El- Zohri, 2003. Supply power factor improvement with single-phase AC voltage converter. IEEE, Conf. Proc., IEMDC'03 (issue vol. 2), Madison, Wisconsin USA, pp: 863 – 870.
9. Семенов Б. Ю. Силовая электроника. Профессиональны решения: Издательство Солон-Пресс, ДМК Пресс. – 2017: 35-37.
10. Кёниг А. Полное руководство по PIC микроконтроллерам: Издательство МК-Пресс. – 2007. – С. 240.