Унифицированные системы управления ПАО «Электровыпрямитель» для преобразовательной техники

Современную электронику и преобразовательные устройства невозможно представить без применения микропроцессорных решений и программного обеспечения. Разработкой программного обеспечения и систем управления для преобразовательной техники на ПАО «Электровыпрямитель» занимается отдел микропроцессорных систем управления.

Среди разработок есть системы управления для серийных преобразователей:

• тиристорные зарядно-подзарядные выпрямители ВАЗП;
• выпрямители для систем возбуждения синхронных машин В-ТПЕ-8;
• выпрямители для гальваники ВГ-ТПЕ(В);
• система диагностики для выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов переменного тока;
• системы диагностики для выпрямителей серии В-ТПЕД, предназначенных для тяговых подстанций железных дорог;
• трехфазные преобразователи частоты серии ОМЕГА-2, а также со степенью защиты IP54.

Среди несерийных разработок можно выделить цифровые системы управления для выпрямителей большой мощности серии В-ТПЕ(П), В-ТПВ для мощных аэродинамических труб ЦАГИ, МЗРК-2018 для заряда и разряда аккумуляторных батарей подводных лодок в местах их базирования, В-ТПП для установки ТОКОМАК, выпрямительно-инверторных преобразователей с коррекцией коэффициента мощности на IGBT-модулях для питания вспомогательных машин электровозов переменного тока, трехфазных преобразователей частоты различного назначения и мощности.

В основе разработок лежат современные микроконтроллеры TMS, STM32, а также программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Очень часто при проектировании систем управления применяется модульный принцип, то есть в основе предусмотрен процессорный модуль, который устанавливается на плату расширения. В зависимости от задачи узлы платы расширения могут изменяться. В качестве примера можно рассмотреть процессорные модули на основе микроконтроллеров TMS320F28335 и STM32F303 (рис. 1).

Рис. 1. Процессорные модули

Модуль на основе TMS320F28335 имеет в своем составе ПЛИС, интерфейсы CAN и RS-485, восемь каналов ЦАП и 16 каналов АЦП [1]. На основе данного модуля разработаны алгоритмы управления для активных выпрямителей с коррекцией коэффициента мощности, в частности для преобразователей собственных нужд БПВМ-55 для электровозов переменного тока (рис. 2). Модуль позволяет одновременно осуществлять управление не только активным выпрямителем, но и трехфазным инвертором напряжения. В основе управления данным преобразователем лежит алгоритм так называемого токового коридора.

Рис. 2. БПВМ-55

Модуль на основе STM32F303 используется в трехфазных преобразователях частоты и для управления простыми преобразовательными устройствами, где не требуются сложные математические расчеты и алгоритмы.

Для управления преобразовательными устройствами, в которых необходима реализация цифровых фильтров, а также более сложные математические операции и алгоритмы, разработана плата на основе микроконтроллера STM32H743IIT6 (рис. 3). Данный микроконтроллер имеет высокопроизводительное ядро Cortex-M7 с плавающей точкой, реализующее полный набор инструкций цифровой обработки сигналов. Частота микроконтроллера составляет 400 МГц, разрядность аналого-цифровых преобразователей 12 бит, разрядность таймеров 16 и 32 бит, что вполне достаточно для реализации большинства сложных задач [2].

Рис. 3. Универсальная плата управления

Плата имеет модульный принцип, при необходимости в ее состав допаиваются блоки различных интерфейсов: 4–20 мА, CAN, RS-485, Ethernet, USB, WI-FI и т. д. Кроме того, плата может оснащаться дополнительным модулем для осуществления осциллографирования каких-либо процессов, аварийных и других процессов, с сохранением данных на карту памяти. Структурная схема универсальной платы управления представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема универсальной платы управления

Для модернизации аналоговых систем управления или для расширения их возможностей в части реализации цифровых интерфейсов связи (Ethernet, CAN, RS-485 и других) на предприятии разработаны платы преобразования (рис. 5). Они применяются в преобразователях с аналоговой системой управления в случае, если необходимо выполнить обмен данными с системой управления верхнего уровня, оснастить преобразователь панелью оператора или каким-либо дисплеем, появляется возможность введения дополнительных каналов измерения, дискретных входов и выходов. Задание для аналоговой части системы управления формируется с помощью цифро-аналогового преобразователя, при необходимости пропорционально-интегральный регулятор можно реализовать в алгоритме платы преобразования.

Рис. 5. Плата преобразования

Для срочной разработки систем управления, помимо разработанных на предприятии процессорных модулей и плат, могут использоваться имеющиеся в продаже модули на базе микроконтроллеров и ПЛИС (рис. 6).

Рис. 6. Применение готовых процессорных модулей при разработке систем управления

Есть опыт разработки крейтовых систем управления (рис. 7) для различных преобразовательных комплексов.

Рис. 7. Крейтовая система управления

В этом случае все платы в составе крейта питаются от общей шины, обмен осуществляется по нескольким шинам данных. При необходимости конфигурация крейта может быть изменена заменой соответствующих плат в зависимости от задачи, выполняемой системой управления.

Предприятие имеет огромный опыт по разработке систем диагностики различными выпрямительными устройствами, а также многоканальных драйверов для управления высоковольтными тиристорными выпрямителями.

Предприятием накоплен богатый опыт по разработке систем и алгоритмов управления преобразовательными устройствами. В основе разработок лежат современные схемотехнические решения и элементная база. Многие алгоритмы управления, а также схемотехнические решения имеют патенты.