АДАПТИВНОЕ ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ

Устройство относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными преобразователями постоянного и переменного напряжения, а также активными выпрямителями.

Известно устройство синхронизации (УС) прямого действия (Информационные цепи преобразователей тиристорных электроприводов / С.С. Крылов, Е.В. Мельников, Л.И. Конышев. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.), содержащее компаратор на операционном усилителе с резисторами цепи положительной обратной связи, подключенный к напряжению сети через разделительный понижающий трансформатор и осуществляющий выделение с помощью выходного сигнала логической «1» моментов времени перехода напряжением сети через нулевой уровень. Двуханодный стабилитрон служит для защиты входа микросхемы от перенапряжений со стороны сетевого напряжения.

Недостатком известного технического решения является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам и коммутационным искажениям со стороны напряжения синхронизации, а также погрешность работы при изменениях амплитуды и частоты сигнала синхронизации.

Известно устройство синхронизации, содержащее усилитель с резисторами положительной обратной связи, синхронизирующий трансформатор с выпрямительными диодами и согласующий транзистор (а.с. 1798869 СССР, H02M 1/08. Система импульсно-фазового управления трехфазным тиристорным преобразователем / Маурер В.Г., Рахматулин P.M., Цытович Л.И. и др. (СССР). - №4778744/07, заявл. 05.01.90; опубл. 28.02.93, Бюл. №8).

Питание компаратора осуществляется от двух трехфазных нулевых схем выпрямления, формирующих нестабилизированное напряжение для усилителя. При этом пороги переключения компаратора изменяются по закону выпрямленного напряжения сети. Переключение УС производится напряжением соответствующей фазы на вторичной стороне трансформатора. В результате длительность выходного импульса компаратора соответствует заданному диапазону изменения угла управления тиристорами даже для случая значительной нестабильности напряжения сети фаз A, B, C.

Недостатком известного УС является его низкая помехоустойчивость к импульсным помехам со стороны напряжения синхронизации, а также то, что высокая точность поддержания заданного диапазона регулирования тиристорами происходит только при синхронном и идентичном по уровню изменения амплитуд всех фаз напряжения сети одновременно.

Известно устройство синхронизации интегрирующего типа, содержащее последовательно соединенные источник сигнала синхронизации со стороны разделительного трансформатора системы импульсно-фазового управления, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом сумматора и одновременно является «выходом» устройства. В качестве источника сигнала синхронизации используется непосредственно напряжение сети (Дудкин М.М., Цытович Л.И. Элементы информационной электроники систем управления вентильными преобразователями: монография. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - С.37).

Устройство обладает высокой помехоустойчивостью к импульсным помехам со стороны напряжения синхронизации, а также способностью адаптироваться к изменению амплитуды напряжения сети (синхронизирующего воздействия), что объясняется замкнутым характером структуры УС и наличием интегратора в прямом канале регулирования.

Недостатком устройства является его частичная, а не полная, адаптация к изменению частоты напряжения сети, зависящая от глубины синхронизирующего воздействия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является адаптивное устройство синхронизации интегрирующего типа (Дудкин М.М. Энергосберегающие технологии в испытательных стендах с использованием однофазных обратимых преобразователей // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2013. - Вып. 13. - №1. - С.9).

В состав УС входят последовательно соединенные источник сигнала синхронизации - «вход» устройства синхронизации, первый сумматор, интегратор, второй сумматор, релейный элемент, генератор коротких импульсов, преобразователь периода в напряжение, третий сумматор и амплитудный модулятор. Выход релейного элемента является «выходом» устройства синхронизации и одновременно соединен со вторым входом первого сумматора и вторым входом амплитудного модулятора, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора. Второй вход третьего сумматора соединен с источником опорного напряжения.

При воздействии гармонического синхронизирующего сигнала (напряжения сети) на выходе УС устанавливаются вынужденные колебания, при которых импульсы на выходе релейного элемента сдвинуты относительно напряжения сети на угол синхронизации α_C=-90 эл. град при условии выполнения равенства T_C=T₀, где T_C - период напряжения сети; - период собственных автоколебаний УС при отсутствии сигнала синхронизации; - нормированное значение порогов переключения РЭ; T_И - постоянная времени интегрирования интегратора.

Устройство-прототип обладает высокой помехоустойчивостью к импульсным помехам со стороны напряжения синхронизации, а также способностью адаптироваться к изменению амплитуды и частоты напряжения сети (синхронизирующего воздействия), что объясняется замкнутым характером структуры УС, наличием интегратора в прямом канале регулирования и блока коррекции частоты, состоящего из генератора коротких импульсов, преобразователя периода в напряжение, сумматора, амплитудного модулятора и источника опорного напряжения.

Недостатком устройства-прототипа являются его низкие динамические характеристики в области малых значений глубины сигнала синхронизации , где A_С, A - амплитуды синхронизирующего воздействия и импульсов на выходе релейного элемента соответственно. Так, например, при глубине синхронизации, лежащей в диапазоне , допустимая скорость изменения частоты напряжения сети за 1 сек составляет ±12 Гц/с, при , а при - всего лишь ±4 Гц/с при условии, что абсолютная ошибка угла синхронизации Δα_С=(α_С - 90 эл. град) не превышает ±2 эл. град. Кроме этого, работа УС в области неизбежно приводит к снижению динамической точности при резких отклонениях амплитуды напряжения сети, т.к. интегрирующее УС по отношению к информационному гармоническому сигналу представляет собой апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

,

где - эквивалентная постоянная времени УС, зависящая от периода T_C и глубины сигнала синхронизации .

Таким образом, устройство-прототип характеризуется низкой динамической точностью работы в области малых значений глубины синхронизации при нестабильности частоты напряжения сети, что особенно актуально для тиристорных преобразователей, получающих питание от энергосистем ограниченной мощности, например дизель-генераторных установок.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении динамической точности работы устройства синхронизации в области малых значений глубины синхронизации, меньших уровня 2,0, при отклонениях частоты напряжения сети.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в адаптивное интегрирующее устройство синхронизации, содержащее источник опорного напряжения, последовательно соединенные первый сумматор, интегратор, второй сумматор и релейный элемент, а также последовательно включенные преобразователь периода в напряжение, третий сумматор и амплитудный модулятор, причем выход релейного элемента является «выходом» устройства и одновременно соединен с первым входом первого сумматора и вторым входом амплитудного модулятора, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, источник опорного напряжения соединен со вторым входом третьего сумматора, а второй вход первого сумматора подключен к шине фазы А напряжения сети согласно изобретению, введены три одинаковых схемы синхронизации и один логический элемент «3 ИЛИ», причем входы первой, второй и третьей схемы синхронизации подключены к шинам фаз A, B, C напряжения сети соответственно, а выходы схем синхронизации соединены с первым, вторым и третьим входами логического элемента «3 ИЛИ», выход которого подключен к входу преобразователя периода в напряжение.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в устройство введены три одинаковых схемы синхронизации и один логический элемент «3 ИЛИ».

Основная задача схем синхронизации - это формирование коротких импульсов, совпадающих с моментами времени перехода напряжения сети фаз A, B, C через нулевые значения, с последующим их суммированием при помощи логического элемента «3 ИЛИ». В результате этого на выходе элемента «3 ИЛИ» формируются импульсы, следующие друг за другом через 60 эл. град или T_C/6, что позволяет в три раза ускорить процесс преобразования периода сети T_C в напряжение, по сравнению с устройством-прототипом, в котором данный интервал времени составляет 180 эл. град или T_C/2.

Амплитудный модулятор производит коррекцию порогов переключения релейного элемента таким образом, чтобы при изменении частоты напряжения сети всегда выполнялось равенство между периодом напряжения сети T_C и периодом собственных автоколебаний устройства , который, как видно, зависит от нормированного порога переключения релейного элемента и постоянной времени интегрирования интегратора, являющейся постоянной величиной. Здесь A - амплитуда импульсов на выходе релейного элемента. В результате этого угол синхронизации α_C между выходными импульсами релейного элемента и сигналом синхронизации (напряжения сети) в установившемся режиме работы при изменении частоты напряжения сети сохраняется постоянным и равен -90 эл. град, что однозначно свидетельствует об адаптации устройства синхронизации к частоте напряжения сети.

Повышение динамической точности устройства может быть достигнуто только в области малых значений глубины синхронизации , меньших 2,0, т.к. с ростом наблюдается увеличение эквивалентной постоянной времени фильтра и, как следствие, повышение инерционности устройства синхронизации.

Таким образом, предлагаемое адаптивное интегрирующее устройство синхронизации обладает повышенной динамической точностью в области малых значений глубины синхронизации, меньших уровня 2,0, за счет измерения периода напряжения сети T_C за время T_C/6 или 60 эл. град, что обеспечивается за счет введения трех одинаковых схем синхронизации и одного логического элемента «3 ИЛИ».

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2а, б, в, г - характеристики элементов предлагаемого устройства;

Фиг.3а, б, в, г, д, е - диаграммы сигналов адаптивного интегрирующего устройства синхронизации;

Фиг.4 - пример технической реализации преобразователя периода в напряжение;

Фиг.5а, б, в, г, д - временные диаграммы сигналов преобразователя периода в напряжение.

Фиг.6а, б - графики зависимостей абсолютной ошибки угла синхронизации при изменении частоты напряжения сети и различных значениях глубины синхронизации для предлагаемого устройства и устройства-прототипа соответственно.

В состав УС входят (фиг.1) последовательно соединенные первый сумматор 1, интегратор 2, второй сумматор 3 и релейный элемент 4. Блоки 1-4 образуют развертывающий преобразователь (РП). В состав УС также входит блок коррекции частоты (БКЧ), состоящий из трех одинаковых схем синхронизации 5-7, последовательно соединенных логического элемента 8 функции «3 ИЛИ», преобразователя периода в напряжение 9, третьего сумматора 10 и амплитудного модулятора 11, а также источника опорного напряжения 12. Выход релейного элемента 4 является «выходом» устройства синхронизации и одновременно соединен с первым входом первого сумматора 1 и вторым входом амплитудного модулятора 11, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора 3. Шины фаз A, B, C напряжения сети соответственно подключены к входу первой 5, второй 6 и третьей 7 схемы синхронизации, выходы которых соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами логического элемента 8 функции «3 ИЛИ». Шина фазы А напряжения сети подключена ко второму входу первого сумматора 1, а второй вход третьего сумматора 10 соединен с источником опорного напряжения 12.

Каждая из схем синхронизации 5-7 (фиг.1) содержит последовательно включенные апериодический фильтры 13, 16, 19, компараторы 14, 17, 20 и генераторы коротких импульсов 15, 18, 21.

Преобразователь периода в напряжение (ППН) 9 (фиг.1) состоит из последовательно соединенных элементов - генератора высокочастотных импульсов 22, двоичного суммирующего счетчика 23, регистра памяти 24 и цифро-аналогового преобразователя 25 (фиг.4), являющегося выходом ППН. В состав ППН также входит элемент задержки 26, выход которого подключен к R-входу двоичного счетчика 23. Вход ППН одновременно соединен с C-входом регистра памяти 24 и входом элемента задержки 26.

На фиг.1-6 введены следующие обозначения:

X_С - сигнал синхронизации УС (шина фазы A напряжения сети);

A, B, C - шины фаз напряжения сети;

A_С, T_C - амплитуда и период сигнала синхронизации соответственно;

α_C - угол синхронизации на выходе устройства;

Y_И - выходной сигнал интегратора 2;

Y - выходной сигнал релейного элемента 4;

±A, T₀ - амплитуда и период выходных импульсов релейного элемента 4 соответственно;

±b - пороги переключения релейного элемента 4;

Y_Г1, Y_Г2, Y_Г3 - выходные сигналы схем синхронизации 5-7 соответственно;

Y_Ф1, Y_Ф2, Y_Ф3 - сигналы на выходе апериодических фильтров 13, 16, 19 соответственно;

Y_К1, Y_К2, Y_К3 - сигналы на выходе компараторов 14, 17, 20 соответственно;

Y_Г∑ - выходной сигнал логического элемента 8 функции «3 ИЛИ»;

Y_T - выходной сигнал преобразователя периода в напряжение 9;

Δb - отклонение порога переключения релейного элемента 4 при изменении частоты синхронизирующего воздействия;

Y_А - выходной сигнал амплитудного модулятора 11;

X₀ - источник опорного напряжения 12;

Y_G - выходной сигнал генератора высокочастотных импульсов 22;

N - двоичный цифровой код на выходе счетчика 23;

Y_DL - выходной сигнал элемента задержки 26;

τ - время задержки элемента 26.

Звенья УС имеют следующие характеристики (фиг.2).

Сумматор 1 осуществляет суммирование синхронизирующего воздействия X_C(t) и сигнала Y(t) с выхода релейного элемента 4 и имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интегратор 2 имеет передаточную функцию W(p)=1/T_Иp, где T_И - постоянная времени интегрирования. При дискретном изменении входного воздействия выходной сигнал интегратора 2 изменяется по линейному закону со знаком, обратным по отношению к знаку сигнала на его входе (фиг.2а).

Сумматоры 3 и 10 осуществляют вычитание сигнала Y_A(t) амплитудного модулятора 11 из выходного сигнала Y_И(t) интегратора 2 и выходного напряжения Y_T(t) ППН 9 из источника 12 опорного напряжения X₀ соответственно и имеют единичные коэффициенты передачи по каждому из входов.

Релейный элемент 4 имеет симметричную относительно нуля и неинвертирующую петлю гистерезиса с порогами переключения (фиг.2б).

Схемы синхронизации 5-7 формируют на выходе импульсы малой длительности синхронно с изменением знака напряжения сети соответствующей фазы.

Логический элемент 8 функции «3 ИЛИ» переключается в состояние логической «1», когда хотя бы на одном из его входов присутствует сигнал логической «1».

ППН 9 преобразует период импульсов на выходе логического элемента 8 в аналоговый сигнал Y_T(t), уровень которого линейно возрастает с ростом периода входного воздействия (фиг.2в).

Амплитудный модулятор 11 формирует на выходе переменный импульсный сигнал Y_A(t), амплитуда которого соответствует уровню напряжения на выходе сумматора 10, а частота определяется частотой выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг.2г).

Фильтры 13, 16, 19 имеют передаточную функцию W(p)=1/(T_Фp+1),

где T_Ф - постоянная времени апериодического фильтра первого порядка.

Компараторы 14, 17, 20 имеют неинвертирующую характеристику «вход-выход» и переключаются при изменении знака напряжений на выходе фильтров 13, 16, 19.

Генераторы коротких импульсов 15, 18, 21 формируют короткие импульсы с постоянной амплитудой по переднему и заднему фронтам импульсов с выхода компараторов 14, 17, 20.

Генератор импульсов 22 формирует высокочастотные импульсы со стабильной частотой для их подсчета суммирующим счетчиком 23.

Двоичный счетчик 23 является суммирующим и увеличивает свое содержимое на единицу младшего разряда синхронно с передним фронтом импульса на C-входе. При воздействии переднего фронта импульса на R-вход счетчик 23 переходит в «нулевое» состояние по всем разрядам.

Регистр памяти 24 записывает данные со своих D-входов синхронно с передним фронтом импульса на C-входе.

Цифро-аналоговый преобразователь 25 преобразует цифровой код N(t) с выхода регистра памяти 24 в аналоговый сигнал Y_T(t).

Элемент задержки 26 сдвигает во времени тактовый импульс с выхода логического элемента 8 на величину «τ», оставляя без изменений его амплитуду и длительность.

Принцип работы устройства следующий.

При отсутствии сигнала на входе синхронизации X_C(t) сумматоры 1, 3, интегратор 2 и релейный элемент (РЭ) 4 (фиг.1) в совокупности образуют автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Амплитуда выходного сигнала интегратора 2 ограничена порогами переключения ±b релейного элемента 4 и имеет вид симметричной относительно нулевого уровня «пилу». Частота собственных автоколебаний системы, составленной из блоков 1-4, определяется постоянной времени T_И интегратора 2, а также нормированным значением порогов переключения релейного элемента 4

.

Считаем, что собственная частота автоколебаний f₀ системы равна частоте f_С сигнала синхронизации (частота фазы A, B, C напряжения сети) и соответствует 50 Гц.

Рассмотрим работу устройства в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети фазы A.

При воздействии гармонического синхронизирующего сигнала X_C(t) фазы А напряжения сети с частотой f₀=50 Гц (фиг.3а) на выходе релейного элемента 4 устанавливаются вынужденные колебания с частотой (T₀)^-1, равной частоте f_C=(T_C)^-1 синхронизирующего воздействия (фиг.3б), а импульсы Y(t) сдвинуты относительно фазы A напряжения сети на угол α_C=-90 эл. град (фиг.3а, б). Выходной сигнал Y_И(t) интегратора 2 близок по форме к гармоническому сигналу (фиг.3б). Переключение релейного элемента 4 осуществляется при достижении разверткой интегратора Y_И(t) порогов переключения ±b РЭ.

Схемы синхронизации 5-7 (фиг.1) формируют короткие импульсы Y_Г1, Y_Г2, Y_Г3 (фиг.3г, импульсы Y_Г2, Y_Г3 не показаны), совпадающих с моментами времени перехода напряжений фаз A, B, C через нулевые значения (фиг.3а) при условии отсутствия фильтров 13, 16, 19 на входе схем синхронизации 5-7 с последующим суммированием импульсов Y_Г1, Y_Г2, Y_Г3 с помощью логического элемента 8 функции «3 ИЛИ» (фиг.3д). Введение фильтров 13, 16, 19 (фиг.1) повышает помехоустойчивость схем синхронизации 5-7 к внешним помехам и неизбежно приводит к фазовому сдвигу напряжений фаз A, B, C (фиг.3а, сигнал Y_Ф1), а также импульсов Y_К1, Y_К2, Y_К3 и Y_Г1, Y_Г2, Y_Г3 на выходе компараторов 14, 17, 20 и генератора коротких импульсов 15, 18, 21 на угол φ_Ф (фиг.3в-г, импульсы Y_К2, Y_К3 и Y_Г2, Y_Г3 не показаны). Фазовый сдвиг φ_Ф, вносимый фильтрами 13, 16, 19, при частоте напряжения сети фаз A, B, C f_С = 50 Гц рекомендуется выбирать в диапазоне 20-40 эл. град.

Таким образом, на выходе логического элемента 8 функции «3 ИЛИ» формируются импульсы Y_Г∑, следующие друг за другом через 60 эл. град или T_C/6 (фиг.3д), что позволяет в три раза ускорить процесс преобразования периода T_С в напряжение Y_T(t) в ППН 9, по сравнению с устройством-прототипом, в котором данный интервал времени составляет 180 эл. град или T_C/2.

При частоте напряжения сети фаз A, B, C f_C = 50 Гц сигнал Y_T(t) на выходе ППН 9 равен по модулю порогу переключения b релейного элемента РЭ (фиг.3д). При условии выбора источника 12 опорного напряжения X₀, равного величине порога переключения +b релейного элемента 4, сигнал Y_A(t) на выходе AM 11 равен нулю (фиг.3е).

При снижении частоты напряжения сети фаз A, B, C (фиг.3а) возрастает сигнал Y_T(t) на выходе ППН до уровня b+Δb (фиг.3д), а на выходе сумматора 10 формируется отрицательное отклонение Δb. Амплитудный модулятор 11 формирует на выходе переменный импульсный сигнал Y_A(t) с амплитудой Δb и периодом, равным периоду T₀ выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг.3б, е). Знак выходных импульсов AM 11 определяется как результат перемножения сигналов с выхода РЭ 4 и сумматора 10. В результате этого происходит изменение порога переключения релейного элемента 4 на величину (фиг.3б) при сохранении равенства . В результате, в установившемся режиме работы угол синхронизации α_C между напряжением сети фазы A и выходными импульсами Y(t) релейного элемента 4 сохраняется равным -90 эл. град (фиг.3а, б).

ППН 9 (фиг.4) осуществляет преобразование периода импульсов Y_Г∑(t), поступающих с выхода логического элемента 8 (фиг.1), в аналоговый сигнал Y_T(t) (фиг.5а, д). С задержкой времени «τ», формируемой блоком 26 (фиг.4), двоичный суммирующий счетчик 23 «обнуляется» (фиг.5в) коротким импульсом Y_DL(t) (фиг.5г), и начинается процесс счета в счетчике 23 импульсов Y_G(t) (фиг.5б) с выхода высокочастотного генератора 22 (фиг.4). В результате к моменту времени формирования очередного короткого импульса Y_Г∑(t) (фиг.5а) на выходе счетчика 23 накапливается число N(t) (фиг.5в), прямопропорциональное интервалу времени T_C/6 (фиг.5а), которое переписывается с выхода счетчика 23 в регистр памяти 24. Цифроаналоговый преобразователь 25 преобразует двоичное число с выхода регистра памяти 24 в аналоговый сигнал Y_T(t) (фиг.5д). С задержкой времени «τ» (фиг.5г) двоичный счетчик 23 «обнуляется» (фиг.5в), процессы в схеме повторяются.

На фиг.6а, б приведены графики зависимостей Δα_C=f(S_f), полученные на основе математического моделирования в программе MatLab+Simulink, при различных значениях глубины синхронизации для предлагаемого устройства и устройства-прототипа соответственно. Здесь Δα_C=(α_C-90 эл. град) - абсолютная ошибка угла синхронизации при изменении частоты напряжения сети f_C; S_f - абсолютная скорость изменения частоты напряжения сети за заранее заданный интервал времени, равный 1 сек.

Из графиков (фиг.6) видно, что для предлагаемого устройства и устройства-прототипа при глубине синхронизации, лежащей в диапазоне , допустимая скорость изменения частоты напряжения сети за 1 сек S_f составляет ±12 Гц/с при условии, что абсолютная ошибка угла синхронизации Δα_C не превышает ±2 эл. град. При быстродействие предлагаемого устройства увеличивается (фиг.6а), а устройства-прототипа наоборот снижается (фиг.6б). Так, например, при для предлагаемого устройства S_f=±21 Гц/с, а для устройства прототипа составляет всего лишь ±4 Гц/с.

Таким образом, за счет введения трех одинаковых схем синхронизации и одного логического элемента «3 ИЛИ» предлагаемое устройство синхронизации при отклонениях частоты напряжения сети обладает повышенной динамической точностью работы в области малых значений глубины синхронизации, меньших уровня 2,0.

Промышленная применимость

Предлагаемое устройство предполагается использовать в системе управления вентильным преобразователем постоянного тока автоматизированного электропривода кромкорежущего станка на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».