1.6.3 Цифрові регулятори

Цифровими називаються автоматичні регулятори, що виконуються з використанням елементів цифрової обчислювальної техніки. В таких регуляторах реалізуються способи переробки інформації в цифрових формах її представлення . Перехід до цифрових методів обробки інформації дозволяє підвищити швидкодію регуляторів, розширює можливість здійснення комплексного автоматичного управління турбо- і гідрогенераторами і можливості побудови самоналагоджувальних автоматичних систем управління.

Відомо два різновиди цифрових регуляторів збудження синхронних генераторів: цифрові і аналого-цифрові. Цифрові регулятори виконуються на великих інтегральних схемах — мікропроцесорах. В регуляторах здійснюється перетворення змін амплітуд напруг трьох фаз генератора і частоти в двійкові цифрові сигнали. В цифровому обчислювальному пристрої регулятора виконуються операції, необхідні для виконання регулюючої і стабілізуючої дій відповідно до алгоритму (1.19а) регулювання збудження сильної дії. Для управління збудником розробляються спеціальні перетворювачі цифрового коду в кут запалення тиристорів.

В аналого-цифрових регуляторах формування сигналу про відхилення напруги і відповідної

Рисунок 1.32- Структурна схема аналого-цифрового регулятора збудження сильної дії

регулюючої дії здійснються аналоговими елементами, а стабілізуючої дії по похідних напруги і частоти і зміні частоти— цифровими елементами.

В процесі досліджень і розробки аналого-цифрових регуляторів збудження виявилися можливості «стиснення» інформації на основі використання узагальненого, а саме амплітудно-частотного, інформаційного параметра. Це дозволило сумістити операції диференціювання амплітуди і частоти напруги генератора в одному цифровому операційному перетворювачі.

Аналого-цифровий регулятор складається з аналогової частини 1 (рис. 1.32) формування регулюючої дії по відхиленню напруги і цифрової частини 2 формування стабілізуючої дії по зміні і похідній узагальненого інформаційного параметра.

В аналогову частину входять вимірювальний орган напруги ВОН, що виконується на стабілітронній схемі порівняння, аналогічній схемі ВОН електромагнітного регулятора ВЕІ (див. рис. 1.29,а), операційні підсилювачі А і виконавчі транзисторні підсилювачі постійного струму A1 і А2, що впливають на схеми управління робочим і форсуючим випрямлячами тиристорного збудника.

Цифрова частина містить аналого-цифровий перетворювач АЦП узагальненого амплітудно-частотного параметра в число-імпульсний сигнал, цифровий диференціатор ЦД, елемент автоматичного самоконтролю ЕК нормального функціонування диференціатора, розширювач тривалості імпульсів диференціатора РДІ і дискретно-аналоговий перетворювач ДАП імпульсного сигналу в аналогову стабілізуючу дію.

Графіки рис. 1.33а, в ілюструють дію АЦП регулятора. Зміни амплітуди і частоти напруги генератора спочатку перетворяться в зміну тривалості , прямокутного імпульсу напруги. Перетворення амплітуди виконується шляхом порівняння абсолютних миттєвих значень напруги з деякою постійною напругою U₀. Рівність наступає через проміжок часу (рис. 1.33,а)

Час є нелінійною функцією амплітуди напруги і залежить від частоти, оскільки .

Вимірювальний перетворювач з резонансним LC-контуром (рис. 1.33,6) підсилює залежність від частоти. При номінальній промисловій частоті Гц, рівній частоті налаштування контура, напруга u_с - на конденсаторі випереджає по фазі напругу u_вх на кут . При зниженні частоти кут зсуву фаз збільшується, а при підвищенні частоти — зменшується. Відповідно тривалість імпульсу збільшується і зменшується (т/,2<т/) (рис. 1.33, в). Тому тривалість імпульсу і використовується як амплітудно-частотний узагальнений параметр

Рисунок 1.33- Графіки, що ілюструють аналого-цифрове перетворення узагальненого інформаційного параметра

При малих приростах амплітуди і частоти, наприклад при зниженні амплітуди напруги і підвищенні частоти, можна вважати, що

де і — так звані вагові коефіцієнти. Змінюючи добротність контура резистором R, можна змінювати ваговий коефіцієнт узагальненого параметра.

Прямокутний імпульс формується нуль-індикатором ЕА (рис. 1.34, а), релейна дія якого відбувається у момент настання рівності напруги і на виході вимірювального перетворювача UVF і напруги U₀, порівнюваної елементом порівняння ЕП.

Потім амплітудно-частотний параметр перетвориться в число-імпульсний цифровий сигнал шляхом заповнення інтервала стандартними (рахунковими) імпульсами від генератора G рахункових імпульсів. перетворення в розрядно-цифровий (двійковий) код виконується лічильником СТ імпульсів, що генеруються керованим від нуль-індикатора генератором G протягом часу , наприклад (див. рис. 1.33,в).

Цифровий диференціатор виконує операцію обчислення різниці значень узагальненого параметра , в поточному і-м і в попередньому (і-1)-му циклах роботи регулятора. Для цього необхідне запам'ятовування значення. Диференціатор містить два лічильники імпульсів — кодуючий СТ1 запам’ятовуючий СТ2 (див. рис. 1.32). Протягом (і-1)-го циклу перший лічильник перетворить число-імпульсний сигнал в разрядно-цифровий двійковий код. В кінці циклу двійковий код першого лічильника переноситься в другий лічильник, що запам'ятовує, в оберненому вигляді. В поточному і-му циклі перший лічильник видає число-імпульсний код значення , а другий - код значення . Цифрові сигнали двома тригерами 1 і 2 елемента порівняння (рис. 1.34,6), керованими імпульсами початку рахунку і кінця рахунку або переповнення лічильника, що запам'ятовує, перетворяться в два імпульси U_i, U_i-1 тривалістю , . Сигнали поступають в логічну схему, що реалізує дві логічні операції ЗАБОРОНА – або операція АБО. Тому, якщо тривалості імпульсів однакові, на виході схеми сигнал відсутній. Якщо або , то на виході логічного елемента проходить сигнал ,що відображає різницю значень узагальненого параметра. При цьому сигнал створюється відповідно тим, запам'ятовучим СТ2 або кодуючим СТ1 лічильниками, що дозволяє зафіксувати знак похідної. Негативному приросту —

Рисунок 1.34- Структурні схеми

— , що відображає зменшення амплітуди напруги або підвищення частоти, ставиться у відповідність позитивний знак отриманого імпульсу напруги .Знак фіксується тригером 3. Імпульсний сигнал поступає в схему автоматичного самоконтролю, а потенційний сигнал про знак проходить в дискретно-аналоговий перетворювач.

Схема (елемент) самоконтролю ЕК (див. рис. 1.32) запобігає неправильній дії регулятора при виході з ладу цифрового диференціатора. При цьому в роботі залишається тільки аналогова частина регулятора і він функціонує як пропорційний. Розширювач тривалості імпульсів РТІ необхідний, оскільки ширина імпульсів диференціатора неспіврозмірно менша від тривалості циклу Т=20 мс роботи регулятора і обчислюється одиницями мікросекунд. При такій тривалості практично неможливе перетворення імпульсного сигналу в аналоговий дискретно-аналоговим перетворювачем ДАП, який здійснює формування стабілізуючої дії у вигляді напруги постійного струму, значення і значення якого визначається похідною амплітудно-частотного узагальненого параметра.

Операційні підсилювачі А формують дію по зміні амплітудно-частотного параметра і виконують підсумовування всіх сигналів в аналоговій формі.

Мікропроцесорні регулятори, як вказувалося, розробляються у ВЕІ імені В. І. Леніна і в СЕІ. Автоматичний регулятор ВЕІ виконаний на мікропроцесорному наборі серії К580, що формує мікро-ЕОМ.

Регулятор складається з центрального процесора ЦП (рис. 1.35), пристрої введення аналогових сигналів і виходу аналогових регулюючого РВ і стабілізуючого СВ дій УВСВ і арифметичного розширювача АР. Центральний процесор містить мікропроцесор МП, оперативне ОЗП і постійний ПЗП пристрої, що запам'ятовують, програмований елемент часу (таймер) Т, контроллер переривань КП, послідовний І_пос і паралельні І_пар лінії зв'язку (інтерфейси) з ЕОМ верхнього рівня, пультом управління ПУ і пристроями автоматики ПА.

Рисунок 1.35- Структурна схема мікропроцесорного регулятора

Пристрій введення сигналів у вигляді змінних по амплітуді, фазі і частоті напруг і струмів від вимірювальних трансформаторів містить аналого-цифровий перетворювач. В цифрові коди перетворюються амплітуда, тривалість періоду напруги u_г і миттєві значення струму і_г генератора в моменти часу проходження напругою генератора через нульове (реактивна складова) і амплітудне (активна складова) значення. В цифрову форму перетворюється і середнє значення струму ротора І_в. Подальша обробка інформації виконується цифровому вигляді.

По отриманих даних мікро-ЕОМ розраховує регулюючу і стабілізуючу дії. Пристрій введення і виведення УВСВ містить цифро-аналоговий перетворювач цифрових дій в змінні напруги, що діють на схеми управління тиристорним збудником.

Функціонування регулятора забезпечується робочими і виконавчими програмами на мові асемблера.

Мікропроцесорні регулятори розробляються як елементи автоматизованої системи управління «Енергія», тому характеризуються новими функціями, особливо властивістю самоналаштування (регулятор СЕІ) і можливостями обміну інформацією з ЕОМ верхнього рівня ієрархічної системи управління.