Harmonik ayrıma dayalı akım sinyali frekansı algılama cihazının tasarımı
Akım sinyali algılama, geleneksel endüstri, yeni enerji gücü üretimi, tıbbi ekipman ve otomasyon gibi çeşitli alanları kapsayan motor kontrolörleri, invertörler, DC / DC dönüştürücüler, güç kaynakları, proses kontrolü ve batarya yönetim sistemleri gibi çeşitli algılama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, şebekeye bağlı güç üretimi alanında, doğru akım sinyal tespiti, şebekeye bağlı akımın kalitesini büyük ölçüde artırabilir, yeni enerji üretiminin şebekeye harmonik kirliliğini etkili bir şekilde azaltabilir ve şebeke çalışma durumu analizinin doğruluğunu sağlayabilir; motor kontrolü alanında, mevcut seviye Ve frekansın doğruluğu büyük ölçüde motor hızının doğruluğunu belirler. Literatür, mevcut örnekleme hatasının itme-çekme dönüştürücü üzerindeki etkisini analiz eder Literatür, mevcut örnekleme hatasının kalıcı mıknatıslı senkron motorların kontrolü üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğuna işaret eder.Linatür, frekans sapmasının sayacın güç ölçümü üzerindeki etkisini ayrıntılı olarak analiz eder.Lebiyat mevcut sinyale işaret etmektedir. Algılama, aktif güç filtrelerinde önemli bir rol oynar Literatür, bir yüksek voltaj güç kaynağı ve düşük akım algılama devresi tasarlamıştır.
Yüksek hassasiyetli akım algılama cihazı çok önemlidir.Akım sinyalinin frekansı ve genliği gibi bilgileri sağlayabilir ve proses kontrolünün yüksek hassasiyetli gelişimi için önemli sinyal kaynağı desteği sağlayabilir. Bu makale, şebekeye bağlı dönüştürücünün kontrol işlemi sırasında ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratör temelinde harmoniklerin pozitif ve negatif dizi ayrımı üzerindeki hataların etkisini ayrıntılı olarak analiz eder ve yeni bir akım sinyali frekansı algılama cihazı tasarlar. Karmaşık devre elektronik bileşenleri, devre uyarlanabilirliğini ve parazit önleme yeteneğini daha kötü hale getirecektir, bu nedenle algılama cihazı, algılama doğruluğunu ve kararlılığını geliştirmek için donanım devresini olabildiğince basitleştirir.
1 Frekans tespitinin fotovoltaik enerji üretim sistemleri üzerindeki etkisinin analizi
Şebekeye bağlı güç üretimi alanında, frekans, şebekeye bağlı bağlantının tamamında son derece önemli bir rol oynar. Bu makale, şebekeye bağlı süreçte frekansın önemli etkisini analiz etmek için, şebekeye bağlı güç üretimi kontrolü alanında kullanılan ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratör (SOGI) harmonik algılama filtresini örnek olarak almaktadır. Gerilim dengesizliği veya distorsiyonu durumunda, şebekeye bağlı kontrol genellikle pozitif ve negatif sekansların ayrılmasını içerir ve pozitif ve negatif sekansların ayrılması bir kareleme sinyali üreteci gerektirir.Gerçekleşmesinin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir. Şekil 1'e göre, ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratörün transfer fonksiyonu denklem (1) 'de gösterilmiştir ve n harmonik mertebedir.
Şekil 1'e göre şunları elde edebiliriz:
Bunlar arasında, v 'ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratör tarafından v sinyalinin izlenmesidir, qv' v 'nin karesel sinyalidir, 0 temel frekanstır, k rezonans frekansına karşılık gelen kazançtır ve v hata miktarıdır. Literatüre göre, Şekil 2'de gösterildiği gibi, farklı frekanslara sahip çoklu SOGI'lerin paralel çalışması için bir çapraz geri besleme ağı yöntemi elde edilir.
Denklem (2) ve (3) 'e göre, i-inci harmonik kanalı SOGI-i'nin transfer fonksiyonu ifadeleri Ai (s) ve Bi (s) ve ortogonal sinyalleri denklem (4) ve (5)' de gösterildiği gibidir. ) Gösterildi. Örnek olarak 5. harmonik kanalı alın, frekans algılama hatası ve kanalın kazancının bir Bode diyagramını çizin. Şekil 3'ten, tespit edilen frekans 250 Hz olduğunda, Ai (s) ve Bi (s) 'nin genlik kazanımlarının değişmediği, Ai (s)' nin faz ofsetinin 0 ° olduğu ve Bi (s) 'nin faz ofsetinin olduğu görülebilir. Faz kayması 90 ° 'dir. Algılama frekansının sapması arttıkça, algılamanın genliği gittikçe küçülür. Bunun, faz kilitlemeli döngüler ve harmonik işleme gibi şebekeye bağlı önemli güç üretim teknolojileri üzerinde ciddi bir etkisi vardır.
Bunların arasında, Ai (s) ve Aj (s), sırasıyla SOGI-QSG-i ve SOGI-QSG-j'nin transfer fonksiyonlarıdır.
Örnek olarak temel dalga kanalını, 5. harmonik kanalı ve 7. harmonik kanalı alın, Şekil 4'te gösterildiği gibi Bode diyagramını çizin. Temel frekansta ve 5. ve 7. harmonik frekanslarda diğer frekans harmoniklerinin kazançlarının burada temelde sıfır olduğu, ancak tespit frekansı hatası artmaya devam ettikçe her bir harmoniğin kazanımlarının yavaş yavaş azalmaya başladığı görülebilir. Küçük, diğer alt harmoniklerin içeriği yavaş yavaş artar. Bu, şebeke kontrolü için daha büyük bir tehdit oluşturacaktır. Frekans algılama hatasından kaynaklanan harmonik algılama simülasyon bölümünde verilmiştir.
2 Akım sinyali algılama ilkesi ve sisteme genel bakış
Doğru akım frekansı ölçer tespiti, kontrol doğruluğunu büyük ölçüde artırabilir. Bu amaçla bir akım frekansı sinyal algılama cihazı tasarlanmış olup, cihazda kullanılan akım trafosunun yapı şeması Şekil 5'te gösterilmiştir. İskelet bir manganez çekirdektir.Elektromanyetik indüksiyon prensibine göre, ideal bir durumda (yani, manyetik akı sızıntısı olmadan) aşağıdaki formül vardır:
Formülde i1 birincil sargı akımı, i2 çıkış akımı olan ikincil sargı akımı, n1 birincil bobinin dönüş sayısı ve n2 ikincil bobinin dönüş sayısıdır.
İkincil taraftan elde edilen akım sinyali, bir amplifikatör devresinden, ardından bir voltaj yükseltme devresinden, bir AD örnekleme devresinden geçer ve son olarak işlemciye girer ve sinyal frekansını elde etmek için bir dizi algoritma tarafından işlenir. Spesifik akış şeması Şekil 6'da gösterilmektedir.
3 donanım devre tasarımı
Donanım devresinin makul tasarımı, sinyal ölçümü için güvenilir destek sağlar. Akım sinyalinin iletim süreci ne kadar basitse, zayıflama o kadar küçük ve sinyalin doğruluğu o kadar yüksek olur. Bu nedenle, bu tasarım, donanım devresini, algılama doğruluğunu etkilemeden olabildiğince basitleştirir ve nispeten basit devre koşulları altında sinyal bilgilerini doğru bir şekilde algılar.
3.1 Akım trafosunun tasarımı
Akım trafosu, tüm algılama cihazının temel parçasıdır ve en ilkel sinyallerin toplanmasından sorumludur.Transformatörün üretim süreci ve malzemelerin seçimi, manyetik akının büyüklüğünü doğrudan etkileyecek ve akım sinyalinin doğru ölçümü üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olacaktır. Bu nedenle tasarımda daha iyi manyetik geçirgenliğe sahip demir-mangan alaşımları kullanılmıştır. Transformatörün üretimi Şekil 7'de gösterilmektedir.
3.2 Gerilim izleyici devre tasarımı
Gerilim sinyalinin kararlılığını artırmak ve zayıflamasının algılama doğruluğunu düşürmesini önlemek için devreye bir gerilim izleyici eklenir. Voltaj izleyicinin çıkış sinyali, giriş sinyaliyle hemen hemen aynıdır ve yüksek giriş ve düşük çıkış empedansı, karşılıklı etkiyi önlemek için ön ve arka aşamaları etkili bir şekilde izole edebilir. Bu tasarım, LM358AD'yi takipçi yapmak için daha yüksek hassasiyet ve daha iyi voltaj dengeleme etkisi ile benimser. Spesifik ilke Şekil 8'de gösterilmektedir.
3.3 Gerilim öngerilim devresi
Bu tasarım, işlemci olarak STM32F407'yi kullanır. Sistemin düşük güç tüketimini gerçekleştirmek için güç kaynağı sistemi, literatürde önerilen güç devresi tasarım yöntemini ifade eder. Örnekleme modülünün giriş voltajı aralığı 0 3 V olduğundan, sinyalin çipe girmeden önce yükseltilmesi gerekir. Bu amaçla, bu tasarım OPA4343'e dayalı bir voltaj öngerilim devresi kullanır Spesifik tasarım Şekil 9'da gösterilmiştir. Öngerilim devresi -5 V ila +5 V voltajı 0 ila 3 V'a dönüştürebilir.
3.4 A / D örnekleme devresi
Gerilim öngerilim devresinden sonra, sinyal pozitif bir değere yükselir.Örnekleme devresinde, genel tasarımın düşük güç tüketimi ve yüksek hassasiyet gereksinimlerini takip etmesi gerekir. Bu nedenle ADS8364, örnekleme devresinin tasarımında A / D dönüşümünün çekirdeği olarak örneklenir.Çip dönüştürme doğruluğu 16 bit'e, sinyal dönüştürme frekansı ise yüksek hassasiyetli sinyal algılama standardını karşılayan 250 kHz'e ulaşabilir. Spesifik devre şeması Şekil 10'da gösterilmiştir.
3.5 Yazılım algoritması tasarımı
Sinyal, örneklemeden ve çip çevresel devresinden sonra kontrol çipine girer. Çipe giren sinyal sinüzoidal bir sinyal olabilir veya diğer frekans harmonikleri ile karıştırılabilir. Çeşitli harmonikleri etkili bir şekilde ayırmak ve mümkün olduğunca sinyal genliği ve frekans bilgisini elde etmek için, bu tasarımın yazılım çekirdeği hızlı Fourier dönüşümü (FFT) kullanır. Spesifik program akış şeması Şekil 11'de gösterilmektedir.
4 Simülasyon ve deneysel veri analizi
Bu yazıda önerilen frekans etkisi teorisinin doğruluğunu doğrulamak için, MATLAB / Simulink'te SOGI'ye dayalı bir filtre devresi oluşturulmuştur. Simülasyonda, temel faz geriliminin etkin değeri 220 V olup, 0.1 pu'luk 5. ve 7. harmonik bileşenleri ekleyerek, temel kazanç k =, 5. ve 7. harmonik kazançlar sırasıyla / 5 ve / 7'dir ve gerilim Üç fazlı simetrik voltaj. Harmonik ayırma kanalının referans frekansı her tam sayı harmoniğine ayarlanır. Tespit edilen frekans hatasının% 2 olduğu varsayıldığında, Şekil 12, 5. harmonik gerilimin pozitif bileşen bileşenini ve Şekil 13, 5. harmonik gerilimin negatif dizi bileşenini göstermektedir. Hata sadece% 2 olmasına rağmen, harmonik gerilimin pozitif dizi bileşeninin genliğinin artık sabit olmadığı ve negatif dizi bileşeninin artık 0'da sabit olmadığı görülebilir. Ve maksimum genlik hatası% 10'a yakındır. Bu, harmonik kompanzasyon doğruluğunda bir azalma, temel gerilimin negatif sekans bileşeninde bir artış ve faz kilidi doğruluğunda bir düşüş gibi bir dizi soruna neden olacaktır.
Algılama frekansı hatası% 0,1 olduğunda, 5. harmonik kanal voltaj dalga formu Şekil 14'te gösterilir. Gerilim genliğinin çok az değiştiği ve temelde kararlı bir durumda olduğu, şebeke kontrol gereksinimlerini karşıladığı açıkça görülebilir.
Bu algılama cihazının uygulanabilirliğini ve doğruluğunu doğrulamak için, farklı frekanslardaki sinyaller üzerinde çok sayıda ölçüm seti yapıldı ve yük direnci 5 idi. Orijinal sinyal ile ölçüm sonucu arasındaki karşılaştırmayı sağlamak için, farklı frekanslardaki sinyalleri göndermek için bir sinyal oluşturucu kullanılır ve güç amplifikatörü, direnci dirençten geçen akımı ölçmek için sinyali yükseltir. Spesifik ölçüm sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir. Ölçülen veriler yuvarlanır ve maksimum hata ile hesaplanır 2. 000 Hz'de ölçülen gerçek sonucun 1999.5 Hz olduğu varsayıldığında, frekans hatası% 0.025'tir.
5. Sonuç
Bu makale, örnek olarak gerilim harmonik ayrımını alır, SOGI tabanlı harmonik gerilim ayırma prensibini ayrıntılı olarak açıklar ve frekans algılama hatasının harmonik ayırma üzerindeki etkisini analiz eder. Analiz, bir frekans kanalının ayrılmasıyla elde edilen harmonik tepenin dalgalanma miktarının, algılama frekansının algılama hatasının artmasıyla artacağını, negatif dizi kanalındaki negatif dizi geriliminin de algılama hatasının artmasıyla artacağını göstermektedir. MATLAB tarafından simüle edilmiş ve doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçları, bu yazıda frekans-harmonik ayrımının teorik analizinin doğruluğunu doğrulamaktadır. Son olarak, bir akım sinyali algılama cihazı tasarlandı ve cihazın orta ve düşük frekans koşullarında yüksek hassasiyetli frekans algılama özellikleri birçok deneyle doğrulanmıştır.
Referanslar
He Shaoyan, Wu Chunhui, Tian Jianjun. Mevcut sensör teknolojisine genel bakış. Electric Drive, 2018, 48 (1): 65-75.
YANG X, LIU H, WANG Y, ve diğerleri Akı yoğunlaştırıcısı ve kapalı döngü konfigürasyonu olarak toroidal manyetik çekirdekli dev bir manyeto dirençli (GMR) efekti tabanlı akım sensörü. Uygulamalı Süperiletkenlikte IEEE İşlemleri, 2013, 24 (3): 1-5.
LIN X, XUE J, XU J. Algoritma seçimi ve güç ağında faz ölçümünün eş zamanlı olmayan örnek hata düzeltmesi.Uluslararası Mekatronik ve Otomasyon Konferansı, IEEE, 2007: 3823-3827.
Chen Qian, Zheng Qionglin, Li Yan ve diğerleri.İzole edilmemiş yüksek verimli itme-çekme dönüştürücüler üzerinde kaçak endüktansın etkisi.Elektroteknik Mühendisliği Dergisi, 2014, 29 (4): 46-53.
Niu Li, Yang Ming, Wang Geng, ve diğerleri.Ölü Vuruş Kontrolüne Dayalı Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorun Sağlam Akım Kontrol Algoritması Araştırması.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (15): 78-85.
WU W, MU X, XU Q, vd.Frekans kaymasının dijital girişli elektrik sayaçlarında güç ölçüm hatası üzerindeki etkisi.Enstrümantasyon ve Ölçüme İlişkin IEEE İşlemleri, 2018, 67 (3): 559-568.
Wang Hao, Luo An, Xu Qianming ve diğerleri.Aktif güç filtresi örnekleme filtre devresinin optimizasyon tasarımı ve sağlam kontrolü.Elektrik Güç Sistemleri Otomasyonu, 2016, 40 (20): 107-113.
Wang Ping, Li Gangjian, Zhang Haining, ve diğerleri.Üç fazlı temel pozitif sekans aktif akım tespitinde geliştirilmiş genelleştirilmiş entegratör uygulaması.Power System Technology, 2016, 40 (10): 3199-3205.
Guo Xianxin, Lu Xu, Bu Yingnan, ve diğerleri.Atomik saat titanyum pompası için yüksek voltajlı güç kaynağı ve düşük akım algılama devresinin tasarımı.Çin Bilimsel Enstrüman Dergisi, 2017, 38 (7): 1606-1615.
Wang Zeyu, Lai Xinquan.Ayarlanabilir genel yüksek hassasiyetli yük akımı algılama devresi kazanın. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2016, 44 (9): 6-10.
DALLAGO E, PASSONI M, SASSONE G. Düşük voltajlı yüksek akım DC / DC modüler kaynaklarında kayıpsız akım algılama Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE İşlemleri, 2002, 47 (6): 1249-1252.
WANG Y, WANG C, ZENG W, ve diğerleri.Çok faktörlü tahmin hataları analizi ve üç fazlı invertör için model tahmin kontrolü üzerinde bir geri bildirim kendi kendini düzeltme.Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE İşlemleri, 2019, 66 (5): 3647-3654.
Yang Ming, Liu Jie, Liang Xuanrui, vb. Aktif bir güç faktörü düzeltme akımı bozulma bastırma kontrol teknolojisi.Elektrik Güç Sistemleri Otomasyonu, 2014, 38 (3): 30-35.
WANG Y, LIU H, HAN X, et al.Çarpık şebeke koşulları altında çoklu ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratörlerle frekansa uyarlanabilir şebeke-sanal-akı senkronizasyonu.Türk Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Dergisi, 2015, 23 (6): 1930 -1945.
RODIRGUEZ P, LUNA A, CANDELA I, ve diğerleri.Çoklu ikinci dereceden genelleştirilmiş entegratörleri kullanarak güç dönüştürücülerinin şebeke senkronizasyonu. Industrial Electronics, 2008: 755-760.
RODRI X, GUEZ P, LUNA A, vd. Bozuk şebeke koşulları altında güç dönüştürücülerinin şebeke senkronizasyonu için çok yönlü frekans kilitli döngü Endüstriyel Elektronikte IEEE İşlemleri, 2011, 58 (1): 127-138.
Wang Chenhui, Wu Yue, Yang Kai.STM32'ye Dayalı Çok Kanallı Veri Toplama Sisteminin Tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (1): 51-53.
Bian Nan, Ma Cong. CPLD'ye dayalı bir fotovoltaik veri toplama sisteminin tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (2): 68-70.
yazar bilgileri:
Han Xuelong1, Hou Yinyin2, Gu Nenghua1, Han Shuangxia1
(1. Elektrik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Quzhou Üniversitesi, Quzhou, Zhejiang 324000; 2. Eyalet Şebekesi Zhejiang Electric Power Co., Ltd. Quzhou Power Supply Company, Quzhou, Zhejiang 324000)
